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미시간 대학(University of Michigan)의 연구진은 치아 에나멜 층(Tooth enamel)을 복제하는데 최초로 성공했다. 치아 에나멜 층(Tooth enamel)은 충격에 강하고 내구성이 뛰어나기 때문에 긴 수명을 가진다. 그래서 딱딱하고 단단하지만 부서지기 쉬운 세라믹 복합재의 손상 방지용으로 매우 유용하게 적용될 수 있다. 동식물은 뛰어난 기계적 특성을 가진 조직과 미네랄을 가지고 있다. 치아 에나멜 층은 모든 종에서 거의 동일한 구조를 가진 매우 특수한 물질이다. 이번 연구진은 산화아연 나노와이어 숲(forest)을 성장시킴으로써 치아 에나멜 층과 거의 동일한 복합 재료를 만들었다. 그 후에 에나멜 층과 유사한 두께를 만들기 위해서 20번 적층시켰다. 이번에 개발된 인공 치아 에나멜 층은 자연의 치아 에나멜 층과 유사하거나 약간 더 높은 점탄성을 가진다. 점탄성은 재료가 진동으로 인한 손상에서 얼마나 강한지를 측정하는 것이다. 그 후에 ldquo;Berkovich rdquo; 테스트와 정적 나노인덴테이션 테스트(static nanoindentation test)를 수행했고, 각각의 수치가 약 40 GPa과 1.65 GPa이라는 것을 확인했다. 분자 모델링 연구를 통해서, 뛰어난 기계적 특성들(높은 강성 및 점탄성, 저밀도)이 나노와이어 기둥 사이에 고분자 분자들을 구속시킴으로써 발생한다는 것을 알 수 있었다. 치아 에나멜 층도 단백질 기질을 가진 단단한 세라믹 결정으로 만들어졌다. 치아의 경우에 이런 층들을 적층시킴으로써 더 두꺼워진다. 이런 구조는 나노크기 기둥 덕분에 진동을 잘 흡수한다. 세라믹과 단백질 간의 큰 접촉 면적은 에너지 분산을 증가시킨다. 이 연구결과는 모든 원주형 복합체에 적용될 수 있기 때문에 고성능의 경량 재료 개발에 큰 도움을 줄 수 있을 것이다. 또한 생의학적 임플란트 등과 같은 다른 분야에도 폭넓게 적용될 수 있을 것이다. 궁극적으로는 항공기와 자동차 등에서 진동 흡수 지지체를 만드는데 적용될 수 있을 것이다. 이 연구결과는 저널 Nature에 ldquo;Abiotic tooth enamel rdquo; 라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/nature21410). |
