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한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 강성훈 교수 연구팀이 미국 존스홉킨스대학, 조지아 공과대학 연구팀과 공동으로 인체 뼈의 원리를 모사해 사용할수록 오히려 더 강해지는 신소재를 개발했다고 20일 밝혔다.

아파트 건물, 차량 등을 구성하는 재료는 반복적으로 하중을 받으면 시간이 지남에 따라 성능이 저하된다.

한미 공동 연구팀은 우리 몸속 뼈가 하중을 받으면 세포 작용으로 미네랄을 합성해 골밀도를 증가시키는 원리에서 영감을 얻어 사용할수록 단단해지는 신소재를 개발했다.

힘을 많이 가할수록 전하를 더 많이 생성하는 다공성 압전 소재(힘을 전기로 변환하는 소재)로 바탕재를 만든 뒤 미네랄 성분을 갖는 전해질을 넣어 복합재료를 합성했다.

재료에 주기적인 힘을 가한 후 물성 변화를 측정한 결과, 응력(외력에 의해 변형된 물체 안에서 발생하는 힘)의 빈도와 크기에 비례해 재료의 강성이 향상된 것으로 나타났다.

연구팀은 마이크로 CT 촬영을 통해 반복적인 응력에 의해 다공성 재료 안에 미네랄이 형성되고, 힘이 가해지면 미네랄이 파괴되면서 에너지를 흩어지게 하는 모습을 확인했다. 다시 응력을 가하면 미네랄이 형성되는 과정이 반복된다.

기존 재료들이 반복적으로 사용할수록 강성이 감소하는 것과 달리 사용할수록 오히려 강성과 충격 흡수 능력이 향상됐으며, 가해지는 응력의 크기와 빈도에 비례해 기계적 물성의 자가 조정이 가능하다고 연구팀은 설명했다.

강성훈 교수는 "인공 관절은 물론 항공기, 선박, 자동차 등 다양한 분야에 원리를 응용할 수 있을 것"이라고 말했다.

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt3979

Bones become stronger through exercise as minerals are synthesized internally when stressed, increasing bone density. A joint research team from South Korea and the United States has developed a new material inspired by this principle, which gets harder with increasing use.

Professor Sung Hoon Kang of the Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) and his research team announced on the 20th that they developed a new material that becomes stronger with repeated use through collaborative research with Johns Hopkins University and the Georgia Institute of Technology. The research results were published in the international journal Science Advances on the 7th.

Generally, materials used in buildings or vehicles may degrade in performance when subjected to repetitive loads, leading to failure or damage. The researchers focused on bones to solve this issue. Bones become stronger through the formation of minerals by cellular action when stressed.

The research team created a porous piezoelectric substrate that generates more charge with increased force, and synthesized a composite material containing electrolyte with mineral components similar to blood. Piezoelectricity refers to the conversion of force into electricity. After applying periodic force to the developed material and measuring its physical property changes, the material's stiffness increased and its impact absorption capabilities improved in proportion to the frequency and magnitude of the stress.

The internal structure was observed using micro-computed tomography (CT), revealing that minerals formed within the porous material due to repetitive stress and dispersed energy when subjected to large forces, and reformed when repetitive stress was applied again.

Professor Sung Hoon Kang noted, "The developed new material has characteristics that improve stiffness and impact absorption as it is used repeatedly, unlike existing materials," adding that he expects the principle to be applicable in various fields such as artificial joints, aircraft, ships, automobiles, and structures.