홍합 모방한 강력 접착제 개발

수중·건조 상황에서 강한 신축성 확인

연체동물로 암초에 붙어 서식하는 홍합은 접착능력이 강한 생물이다. 미끄러운 바위 표면에 달라붙어 있으면서 강한 파도가 몰아쳐도 흔들림 없이 견뎌나간다. 과학자들이 이 홍합의 강한 접착력을 모방해 새로운 소재를 만들고 있다.

신축성이 있고 강한 접착력의 소재를 만들 경우 새로운 유형의 신소재를 만들 수 있을 것으로 예상하고 있기 때문.  특히 이 소재가 나무와 금속 등 그동안 접착이 힘들었던 물질에 사용이 가능하다고 보고 있다.

27일 ‘사이언스’ 지에 따르면 캘리포니아대학의 소재과학자들은 오랜 기간 동안 길고 사슬처럼 생긴 분자를 만들기 위해 노력해왔다. 이런 유형의 분자를 합성할 경우 고무처럼 강한 신축성을 지닌 중합체(polymers)를 만들 수 있다고 보았다.

홍합이 분출하는 접착물질의 분자구조를 활용해 과학자들이 강한 신축성(자기회복 능력)을 지닌 접착물질을 개발했다. 신소재 개발에 활력소가 될 것으로 예상되고 있다.  ⓒWikipedia

홍합이 분출하는 접착물질의 분자구조를 활용해 과학자들이 강한 신축성(자기회복 능력)을 지닌 접착물질을 개발했다. 신소재 개발에 활력소가 될 것으로 예상되고 있다. ⓒWikipedia

홍합처럼 강한 충격에 견딜 수 있어   

과학자들은 공유결합(covalent bonds)이라 불리는 화학적 결합 방식으로 분자들을 중합해 입체 그물망(3D Mesh)을 만들었다. 이렇게 만든 중합체들은 뻣뻣했지만 접착력을 지니고 있었다. 문제는 접착 강도였다.

물체를 강하게 잡아당길 경우 곧 떨어져 버렸다. 충격에 견딜 수 있는 자기회복 능력이 부족했기 때문이다.  자기회복 능력이란 강한 충격이 가해졌을 경우 그 힘을 받아들이지만 곧 원래의 자리를 회복할 수 있는 자기회복 능력을 말한다.

캘리포니아 대 과학자들은 이 문제를 해결하기 위해 전기를 이용했다. 전기를 넣었다 뺐다 하면서 자기회복 능력을 높여나갔다. 그리고 이 과정에서 큰 도움을 준 것이 홍합의 접착 능력이다. 홍합은 바위 표면에 붙어있기 위해 접착 물질을 분비한다.

이 물질은 접착력을 발휘할 수 있는 두 가지 속성, 즉 공유결합(covalent bonds), 이온결합(ionic bonds) 구조를 지니고 있다. 과학자들은 강한 자기회복 능력을 보이고 있는 이 접착물질 구조를 모방하기 시작했다.

연구자들은 공유결합시킨 젤과 같은 물질에 음전하로 하전된 카테콜(catechols)이란 인공 중합체를 합성했다. 이어 양전하로 하전된 철 원자를 추가했다. 그러자 각각의 원자들이 카테콜과 결합해 젤과 같은 물질에 강한 접착성(자기회복 능력)을 부여했다.

수중실험도 진행됐다. 일반적으로 많은 접착물질들은 수중에서 그 능력을 발휘하지 못하기 때문. 캘리포니아 대학의 소재과학자인 산타 바바라(Santa Barbara) 교수는 “연구 결과 수중에서 거의 완벽하게 홍합과 같은 접착력을 발휘할 수 있었다.”고 말했다.

수중에서 달라붙어있는 물질을 잡아 당겼을 경우 그 물질이 약간 움직이기는 하지만 신축성에 의해 곧 원 상태로 회복된다는 것을 의미한다. 홍합처럼 강한 충격에 견딜 수 있는 접착 소재를 개발했음을 말해주는 대목이다.

기존 소재에 적용, 성능 높일 수 있어    

또 다른 연구진은 건조한 중합체에도 이 접착체를 적용, 그 성능을 높일 수 있는지 가능성을 시험했다. 이 연구에는 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol, PEG)이라 불리는 젤 타입의 공유결합 중합체를 활용했다.

PEG란 세포융합을 일으키는 데 사용하는 중합체를 말한다. 세포와 세포, 세포와 리보솜 등을 원심침강 등으로 밀착시켜 고농도의 PEG을 작용시키면서 막융합을 한다. 이 중합체에 새로 개발한 접착제를 다량 첨가했다.

그러자 PEG 분자 가닥에 붙어있던 카테콜들이 산소에 반응하기 시작했다. 이를 막기 위해 연구진은 소량의 철 원자를 살포하는 등 다양한 방법을 시도했다. 그리고 PEG를 건조시킨 결과 신축성이 이전 PEG보다 100~1000배 강해진 것을 발견할 수 있었다.

연구진은 27일 ‘사이언스’ 지에 게재된 연구논문을 통해 홍합을 모방해 새로 개발한 젤 타입의 물질이 홍합이 분출한 접착물질처럼 강한 충격 속에서도 곧 원 상태로 회복하는 자기회복 능력을 지니고 있었다고 보고했다.

연구진은 이 접착물질의 강한 자기회복력을 끈질기 힘으로 신축성을 보이고 있는 가죽에 비유했다. ‘사이언스’ 지에 27일 게재된 논문 제목은 ‘Toughening elastomers using mussel-inspired iron-catechol complexes’이다.

아직 연구단계인 만큼 이 물질이 활용도를 속단하기는 힘들다. 생산이 이루어졌을 경우 플라스틱으로 대변되는 기존의 중합체를 넘어설 만큼 강한 접착성과 신축성을 증명할 수 있을지 속단하기는 아직 어려운 단계다.

파리 ESPC의 콘스탄티노 크레톤(Costantino Creton) 교수는 “접착 강도를 높인 이 연구 결과가 소재과학 측면에서 주목해야할 획기적인 성과”라고 말했다. 그러나 “이 기술을 적용해 다른 중합체에 적용할 수 있을지는 아직 미지수”라고 말했다.

반면 미국 펜실베이니어 대학의 소재공학자 카렌 위니(Karen Winey) 교수는 “많은 사람들이 PEG를 사용하면서 그 성능에 불만을 표명해왔다.”며 “이번 연구 결과를 통해 기존 중합체의 단점을 보완할 수 있는 길이 열렸다.”고 큰 기대감을 표명했다.

캘리포니아대 연구진은 향후 홍합을 모방한 이 접착물질을 다른 중합체에 적용할 계획이다. 연구진은 이 접착물질을 투입해 PEG 계열 소재 강도를 높여나간 바 있다. 향후 생체재료, 인공힘줄, 인공장기 등에 활용방안을 모색할 계획이다.

인간과 유사한 로봇제작에도 도움을 줄 수 있을 것으로 예상하고 있다. 수분과 먼지 등에 취약한 기계적인 속성을 커버하기 위해 신축성이 있는 소재 개발이 필요한 상황에서 이번에 개발한 접착 물질이 큰 기여를 할 수 있기를 기대하고 있다.

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