뼈는 하중을 받을 때 혈액 속 미네랄이 합성돼 골밀도를 증가시켜 더 강해지는 특성을 가졌다.
이러한 원리에서 영감을 얻은 생체모방 기술로 사용 횟수가 늘어날수록 단단해지는 신소재가 개발됐다.

KAIST는 신소재공학과 강성훈 교수 연구팀이 존스홉킨스대, 조지아 공과대와 공동연구를 진행해 이 같은 원리의 신소재를 개발했다고 20일 밝혔다.

공동연구팀은 운동 등 신체활동에서 뼈에 응력이 가해지면, 세포 작용으로 미네랄이 형성돼 더 강해지는 특성에 착안해 신소재를 개발했다.

세포의 작용을 대체하기 위해 힘을 많이 가할수록 더 많은 전하를 생성하는 다공성 압전(힘을 전기로 변환하는 작용) 바탕재를 만든 후 피와 유사한 미네랄 성분을 갖는 전해질을 안에 넣은 복합재료를 만드는 방식이다.
이때 신소재는 세포 작용에 의존하지 않고도 응력을 가하면 스스로 미네랄을 합성해 강도를 높인다.

공동연구팀은 재료에 주기적인 힘을 가한 후 재료의 물성 변화를 측정한 결과, 응력의 빈도와 크기에 비례해 재료의 강성과 에너지 소산 능력이 동시에 향상되는 것을 확인했다.

이러한 특성은 미네랄이 반복적인 응력에 따라 다공성 재료 내부에 형성되고, 커다란 힘이 가해졌을 때는 파괴되면서 에너지를 소산시키지만, 다시 응력을 가하면 미네랄이 재형성되는 과정에서 엿보인다.
공동연구팀은 이를 마이크로 CT로 내부 구조를 촬영해 신소재 특성을 입증했다.

이는 기존 재료가 반복적으로 사용할수록 강성과 충격 흡수 능력이 감소하는 것과 다르게 사용할수록 강성과 충격 흡수 능력을 동시에 향상시키는 장점으로 부각된다.

특히 이 재료는 가해지는 응력의 크기와 빈도에 비례해서 특성이 향상돼 구조물의 용도에 적합한 기계적 물성 분포를 갖도록 자가 조정이 가능하며 자가 치유 능력까지 갖고 있다.

강성훈 교수는 “이번 연구를 통해 개발한 신소재는 반복적으로 사용할수록 강성과 충격 흡수가 잘되는 특성을 가져 인공 관절 뿐 아니라 항공기, 선박, 자동차, 구조물 등 다양한 분야에서 응용될 수 있을 것”이라고 말했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단의 해외우수과학자유치사업(Brain Pool Plus) 지원을 받아 존스홉킨스대 극한재료연구소, 조지아 공과대와 공동으로 수행됐다.

강성훈 교수가 교신저자로 발표한 이번 연구 결과는 이달(11권 6호) 국제 학술지 `사이언스 어드밴시즈(Science Advances)'에 출판됐다.