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* 턱은 개별 금속 원자가 결합된 단백질 매트릭스로 구성돼, 단단하고 유연하다.
* 철분함량 9%, 브롬은 부분적으로 20%, 5% 아연
* 훨씬 효율적이고 환경 친화적, 신소재 모델로 주목 받아

금속 이빨을 가진 강모 벌레
새로운 유형의 복합 재료로 벌레 턱을 안정적이고 유연하게 만든다.

미네랄이 없지만 금속만큼 단단해 :
강모 벌레의 턱은 비정상적인 구성으로 인해 유연하고 단단하다. 다른 견고한 천연 재료와 달리 미네랄 성분이 포함되어 있지 않다. 대신 턱의 단백질 매트릭스에 박혀있는 금속 원자에서 안정성을 얻는다. 아연, 구리, 마그네슘 등의 복잡한 결합은 결정성 금속과 유사한 소나무 재료 특성을 제공한다. 

▲ 이 강모 벌레의 턱은 견고한 금속만큼 단단하고 유연하다. © Kyojiro Ikeda

뼈, 치아 또는 홍합 껍질의 자개 등 자연은 특히 단단하고 안정적인 많은 복합 재료를 생산했다. 대부분의 경우 유기 매트릭스에 삽입된 미네랄은 필요한 강도를 제공한다.
예를 들어, 뼈는 매우 계층적인 구조를 가지고 있다. 유기물과 광물 성분이 있고 작은 구조는 더 큰 구조를 만들어 더 큰 구조를 형성하게 된다”고 비인 공대(Vienna University of Technology)의 선임 저자 크리스티안 헬미히(Christian Hellmich)는 설명한다.

철, 구리, 아연 및 브롬

그러나 또 다른 방법이 있다.
거의 모든 바다의 바닥에서 발생하는 강모 벌레는 소나무에 특별한 경도를 부여하기 위해 자체 천연 특허를 개발했다. “그들의 턱은 매우 안정적이고 부러지지 않지만 척추 뼈에서 알 수 있듯이 미네랄 과립을 포함하지 않는다”고 Hellmich는 말했다. 대신 강모 벌레 턱은 개별 금속 원자가 결합된 단백질 매트릭스로 구성된다.

분석에서 Helmich와 그의 팀은 강모 벌레 Platynereis dumerilii가 턱에 여러 가지 금속 이온을 운반한다는 것을 입증했다. 철분 함량은 거의 중량 9%에 이르며 브롬은 국지적으로 20%에 이를 수 있다. 턱의 특히 단단한 끝은 또한 최대 5%의 아연과 10%이상의 요오드를 함유하고 있다.

금속처럼 단단하고 유연함

“강모 벌레 턱에 금속 원자가 있다는 사실은 뛰어난 재료 특성을 설명하지 못한다”고 Hellmich는 설명했다. 특수 나노 식별 장치를 사용한 스트레스 테스트에서 알 수 있듯이 턱은 약 12 ​​기가 파스칼의 압력을 견딜뿐만 아니라 양보하기 전에 견딜 수 있다. 미네랄 함량이 많은 천연 소재와 달리 부러지지 않고 구부릴 수도 있다.

비엔나 공과 대학의 제1저자 Luis Zelaya-Lainez는 “정확하게 고강도와 연성의 결합이 일반적으로 순수 금속의 특징이다. 여기에서 결정 격자의 원자는 서로 지나간 다음 새로운 결합을 형성한다. 이것은 파손없이 전형적인 금속 변형을 허용한다. Zelaya-Lainez는 "여기서 우리는 완전히 다른 재료를 다루고 있지만 흥미롭게도 금속 원자는 금속으로 만들어진 공작물처럼 여전히 강도와 변형성을 보장한다"고 말했다.

▲ Platynereis dumerilii 턱의 이미징 : (a) 해부학적 축 표시가 있는 스케치, (b) 위쪽의 광 현미경 사진 (등쪽보기), (c) 위쪽의 볼륨 렌더링 된 μ CT 이미지 (등쪽보기), (d) 아래쪽의 볼륨 렌더링 된 μCT 이미지 (복부보기). (출처: 관련논문 Jaws of Platynereis dumerilii: Miniature Biogenic Structures with Hardness Properties Similar to Those of Crystalline Metals)

복잡한 결합은 재료를 유연하게 만든다.

강모 벌레-턱은 어떻게 특이한 금속 특성을 얻을까?
보다 자세한 분석 결과, 개별 금속 원자는 복잡한 결합을 통해 매트릭스의 단백질 사슬에 연결된다. "이러한 결합이 기계적 영향으로 인해 끊어지면 새로운 기하학적 구성으로 빠르게 재 형성될 수 있다"고 과학자들은 설명했다. 그 동안 단백질 사슬은 서로를지나 미끄러지므로 벌레의 턱이 탄력적으로 변형된다.

원칙적으로 턱의 복합 재료는 작은 비율의 금속 원자만을 포함하지만 단단한 금속처럼 반응한다. 그러나 금속은 높은 에너지 소비와 고온에서 생산되지만 금속 이온에 의해 경화된 천연 물질은 생물학적 합성의 산물이라고 연구팀은 말했다. 화석은 강모 벌레가 5 억년 전에이 단단하고 유연한 천연 물질을 개발했음을 시사한다.

신소재 모델

과학자들에 따르면  이 새로운 유형의 복합 재료는 산업적으로 사용 가능한 새로운 재료의 모델로도 사용할 수 있다. Hellmich는 "아마도 생물학적 방식으로 고성능 재료를 생산할 수도 있다. 오늘날 우리가 할 수 있는 것보다 훨씬 더 효율적이고 환경 친화적이다"고 Hellmich는 말했다. 이 새로운 종류의 재료는 일부 응용 분야에서 거대한 금속 구성 요소를 대체하여 일부 원자재와 에너지를 절약할 수도 있다.
(JOM, 2021; doi : 10.1007 / s11837-021-04702-1)
출처 : Vienna University of Technology

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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