비즈니스 기회
뼈에서 영감을 받아 더 단단한 콘크리트를 개발
대뇌 피질 뼈의 건축. a) 인간 대퇴골 뼈의 개략적인 단면은 조밀한 외부 피질 뼈와 다공성 내부 섬유주 뼈를 보여줍니다. b) 대뇌 피질 뼈 구조는 관형 골골을 둘러싼 약한 시멘트 선의 존재를 묘사하며, 이는 c) 균열-시멘트 선 상호 작용으로 이어지며, 강화 메커니즘으로 직선 취성 파괴로부터 평면 내 균열-편향을 위한 경로를 제공합니다.
크레딧: Advanced Materials(2024). DOI: 10.1002/adma.20231390
프린스턴 대학의 엔지니어들은 인간 뼈의 단단한 외층 구조에서 영감을 받아 표준 재료보다 5.6배 더 손상에 강한 시멘트 기반 재료를 개발했습니다.
생체 공학에서 영감을 받은 설계로 재료는 기존의 부서지기 쉬운 시멘트 기반 제품과 달리 균열에 저항하고 갑작스러운 붕괴를 방지할 수 있습니다.
저널 Advanced Materials의 새로운 기사에서 토목 및 환경 공학 조교수인 Reza Moini와 박사 과정 3년차인 Shashank Gupta가 이끄는 연구팀은 튜브와 같은 구조로 배치된 시멘트 페이스트가 균열 전파에 대한 저항을 크게 높이고 갑작스러운 고장 없이 변형 능력을 향상시킬 수 있음을 보여줍니다.
"부서지기 쉬운 건축 자재를 엔지니어링하는 데 있어 도전 과제 중 하나는 갑작스럽고 재앙적인 방식으로 실패한다는 것입니다"라고 Gupta는 말했습니다.
건물 및 토목 인프라에 사용되는 취성 건축 자재에서 강도는 하중을 지탱할 수 있는 능력을 보장하는 반면 인성은 구조물의 균열 및 손상 확산에 대한 저항을 지원합니다. 제안된 기술은 강도를 유지하면서 기존 제품보다 더 단단한 재료를 만들어 이러한 문제를 해결합니다.
Moini는 개선의 핵심은 균열 전면의 응력과 전반적인 기계적 반응의 균형을 유지함으로써 내부 아키텍처의 의도적인 설계에 있다고 말했습니다.
"우리는 파괴 역학과 통계 역학의 이론적 원리를 사용하여 '설계에 의해' 재료의 기본 특성을 개선합니다"라고 그는 말했습니다.
연구팀은 인간 대퇴골의 조밀한 외피인 인간의 대뇌 피질뼈에서 영감을 얻어 힘을 제공하고 골절에 저항했습니다. 피질뼈는 골(osteons)로 알려진 타원형 관 모양의 구성 요소로 구성되어 있으며, 유기 기질에 약하게 내장되어 있습니다. “이 독특한 건축물은 골탑 주변의 균열을 편향시킵니다. 이것은 갑작스런 고장을 방지하고 균열 전파에 대한 전반적인 저항을 증가시킨다”라고 Gupta는 말했습니다.
이 팀의 생체 영감 디자인은 시멘트 페이스트 내에 원통형 및 타원형 튜브를 통합하여 전파되는 균열과 상호 작용합니다.
"중공 튜브가 통합될 때 재료가 균열에 덜 저항할 것으로 예상합니다. 우리는 튜브의 형상, 크기, 모양 및 방향을 활용함으로써 균열-튜브 상호 작용을 촉진하여 다른 특성을 희생하지 않고 한 가지 특성을 향상시킬 수 있다는 것을 배웠습니다"라고 Moini는 말했습니다.
연구팀은 이러한 향상된 균열-튜브 상호 작용이 단계적 강화 메커니즘을 시작하며, 여기서 균열이 먼저 튜브에 갇힌 다음 전파로부터 지연되어 각 상호 작용 및 단계에서 추가 에너지 손실로 이어진다는 것을 발견했습니다.
"이 단계적 메커니즘을 독특하게 만드는 것은 각 균열 확장이 제어되어 갑작스럽고 치명적인 고장을 방지한다는 것입니다. 한 번에 모두 부서지는 대신 재료는 점진적인 손상을 견디기 때문에 훨씬 더 단단해집니다"라고 굽타는 말했습니다.
섬유나 플라스틱을 첨가하여 시멘트 기반 재료를 강화하는 기존 방법과 달리 프린스턴 팀의 접근 방식은 기하학적 디자인에 의존합니다. 재료 자체의 구조를 조작함으로써 추가 재료 없이도 인성이 크게 향상됩니다.
연구진은 파괴 인성을 개선하는 것 외에도 설계에 중요한 양인 무질서 정도를 정량화하는 새로운 방법을 도입했습니다. 통계적 역학을 기반으로 연구팀은 건축 재료의 무질서 정도를 정량화하기 위한 매개변수를 도입했습니다. 이를 통해 연구원들은 건축물의 무질서 정도를 반영하는 수치 프레임워크를 만들 수 있었습니다.
연구진은 새로운 프레임워크가 물질의 배열을 보다 정확하게 표현하며, 주기적(periodic)과 비주기적(non-periodic)이라는 단순한 이분법적 분류를 넘어 정렬된 스펙트럼에서 무작위적인 스펙트럼으로 이동한다고 말했습니다. Moini는 이 연구가 불규칙성과 섭동을 혼동하는 접근 방식을 보로노이 테셀레이션 및 섭동 방법과 같은 통계적 장애와 구별한다고 말했습니다.
"이 접근 방식은 맞춤형 수준의 무질서로 재료를 설명하고 설계할 수 있는 강력한 도구를 제공합니다. 적층 제조와 같은 고급 제조 방법을 사용하면 보다 무질서하고 기계적으로 유리한 구조의 설계를 더욱 촉진할 수 있으며 콘크리트를 사용한 토목 인프라 구성 요소에 대한 이러한 관형 설계를 확장할 수 있습니다"라고 Moini는 말했습니다.
연구팀은 또한 최근에는 로봇 공학과 적층 제조를 사용하여 상당한 정밀도를 허용하는 기술을 개발했습니다. 이를 새로운 아키텍처에 적용하고 튜브 내 단단하거나 부드러운 재료의 조합을 적용함으로써 그들은 건축 자재의 응용 가능성을 확장하기를 희망합니다.
굽타는 "우리는 단지 가능성을 탐색하기 시작했을 뿐입니다. 재료에 있는 튜브의 크기, 모양 및 방향에 무질서 정도를 적용하는 것과 같이 조사해야 할 많은 변수가 있습니다. 이러한 원리는 다른 부서지기 쉬운 재료에 적용하여 더 많은 손상 방지 구조를 설계할 수 있습니다"라고 말했습니다.
이상의 기사는 2024년 9월 16일 TechXplore에서 게재한 “Team develops tougher concrete, inspired by bone”제목의 기사내용을 편집하여 작성하였습니다.
* 원문정보 출처 : Team develops tougher concrete, inspired by bone
* 추가정보 출처 : Tough Cortical Bone‐Inspired Tubular Architected Cement‐Based Material with Disorder - Gupta - Advanced Materials - Wiley Online Library