모양

스스로 구부리고 늘리고 수리할 수 있는 전자 장치는 더 튼튼한 로봇부터 스마트 의류에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 잠재적으로 작동할 수 있습니다.

모양을 바꾸는 기계는 오랫동안 공상 과학 소설의 주요 소재였습니다. 그럴 만한 이유가 있습니다. 1991년 영화 터미네이터 2: 심판의 날(Terminator 2: Judgment Day)에 등장하는 사악한 살인 기계의 힘을 생각해 보세요. 액체 금속 T-1000이 도착하자 영웅들은 자신에게 두 가지 큰 문제가 있다는 것을 재빨리 깨닫습니다. 첫째, 적이 변신하여 인간처럼 보이는 부속물을 치명적인 칼날로 바꿀 수 있습니다. 둘째, 기계에 구멍을 뚫어도 속도가 거의 느려지지 않습니다. 그것은 스스로 치유될 수 있습니다!

자가 치유 기계는 이미 우리 주변에 있습니다. 물론 현실은 T-1000과 완전히 일치하지는 않지만 과학자들은 가상의 기계의 두 가지 기능이 밀접하게 관련되어 있음을 발견했습니다. 스탠포드 대학의 화학 엔지니어인 Zhenan Bao는 "자가 치유 물질을 생성하는 기본 과학은 모양을 변경할 수 있는 동일한 동작입니다."라고 말했습니다. 그리고 최근 몇 달 동안 과학자들은 치유 능력과 형태 변화 능력을 갖춘 다양한 새로운 재료를 개발했습니다. 연구원들은 이러한 물질을 사용하여 로봇 공학, 생체 전자 인터페이스, 웨어러블 장치 및 고급 디스플레이에 응용할 수 있는 새로운 유형의 전자 장치를 구성했습니다. 이러한 기계는 실리콘이나 금속과 같은 전통적인 재료로 만든 기계보다 환경 친화적일 수도 있습니다.

자가 치유 재료의 과학은 거의 200년 전으로 거슬러 올라가지만 실제로는 1970년대에 본격적으로 시작되었습니다. 그때부터 연구자들은 사슬이 링크로 구성되는 방식과 같이 반복되는 부분으로 구성된 큰 분자인 고분자의 자가 치유 잠재력을 연구하기 시작했습니다. 분자의 주요 폴리머 사슬 또는 "백본"의 구성은 분자의 인성 또는 탄성을 포함한 다양한 특성을 결정합니다. 일부 치유 가능한 폴리머는 끊어진 결합을 다시 엮기 위해 특정 온도, 빛 또는 압력에 노출되는 등의 유발 요인이 필요합니다. 다른 사람들은 저절로 치유됩니다. 이러한 "동적" 폴리머는 대부분의 안정한 분자보다 약한 분자 결합을 사용합니다. 예를 들어, 많은 동적 물질은 양전하를 띤 수소 원자가 음전하를 띤 다른 원자를 끌어당기는 수소 결합으로 결합되어 있습니다. Carnegie Mellon University의 기계 엔지니어인 Carmel Majidi는 “수소 결합의 좋은 점은 자발적이라는 것입니다.”라고 말합니다. “재료를 녹이거나 가열할 필요가 없습니다. 그들은 단지 접촉 시 이러한 유대를 형성합니다.”

약한 결합은 그러한 재료에 흥미로운 특성을 부여합니다. “단단한 것 같아요. 그리고 아주 빨리 늘리면 고체처럼 부서집니다. 하지만 쥐고 있으면 액체처럼 뚝뚝 떨어지죠.”라고 Bao는 말합니다. "분자는 제자리에 고정되어 있지 않기 때문에 이러한 폴리머 네트워크는 지속적으로 형성되고 분리됩니다." 이러한 난잡함은 자기 치유를 가능하게 합니다. “재료가 손상되면 결합이 끊어집니다. 그러나 조각들을 하나로 합치면 이러한 수소 결합이 매우 쉽게 형성되고 재료는 기계적 특성을 회복합니다.”라고 Bao는 말합니다.

동일한 원리가 신축성 전자 장치의 기초가 됩니다. Bao는 "이러한 동적 결합을 통해 결합이 끊어지고 재형성될 수 있기 때문에 재료를 원래 크기의 수백 배로 늘릴 수 있습니다."라고 말했습니다. 강도가 서로 다른 여러 유형의 결합을 사용하면 유연하고 견고한 재료가 생성됩니다.

하지만 전자 제품에 사용하려면 재료에 다른 특성이 필요합니다. 첫째, 좋은 지휘자가 되어야 합니다. 그러나 대부분의 폴리머는 절연체입니다. 한 가지 해결책은 신축성 있는 소재를 전도성으로 만들기 위해 금속 입자, 나노와이어 또는 탄소 나노튜브를 폴리머에 추가하는 것입니다. Bao와 그녀의 동료들은 이러한 접근법을 사용하여 신체에 적합하고 압력과 긴장을 감지하고 심박수를 측정할 수 있는 자가 치유 "전자 피부"를 만들었습니다.

또 다른 해결책은 액체 금속입니다. 올해 초 발표된 연구에서 Majidi와 그의 동료들은 은 조각이 점재된 폴리머 젤에 액체 합금 미세 방울을 도입했습니다. 그 결과 생성된 재료는 소프트 로봇의 모터에 동력을 공급할 수 있을 만큼 신축성이 있고 자가 치유가 가능하며 전도성이 있었습니다. Majidi는 “궁극적인 목표는 생물학적 조직의 모든 특성을 포괄하는 전자 및 로봇 시스템을 구축하는 것입니다. 기능성뿐만 아니라 회복력과 자가 치유 기능도 갖추고 있습니다.”라고 말합니다.