울산과학기술원(UNIST) 연구진이 '음성 푸아송 비'(NPR·Negative Poisson's ratio) 특성을 지닌 메타물질(기존 물질에서 발견되지 않는 성질을 지닌 물질)을 개발했다.
최원영 자연과학부 교수팀은 금속과 유기물로 이뤄져 구멍이 많은 구조체인 '금속-유기 골격체'(MOF·Metal-Organic Framework)를 합성하고 NPR 특성을 확인하는 데 성공했다고 12일 밝혔다. NPR 특성을 지닌 물질은 충격파 흡수재료, 센서, 인공 근육 등에서 유용하게 사용될 것으로 기대된다. 푸아송 비는 물체에 힘을 더할 때 수축하거나 팽창하는 정도를 나타내는 개념이다.
가령 고무공을 양쪽에서 누르면 압력을 가한 방향과 수직으로 팽창하므로 푸아송 비를 계산할 수 있다. 그런데 몇몇 독특한 물질은 압력이 가해진 방향의 수직으로 팽창하는 것이 아니라 수축하는 특징을 보인다.
푸아송 비를 가진 물질과는 반대로 작동해 이를 음성 푸아송 비(NPR) 특성이라고 한다.
최 교수팀은 다양한 물질의 NPR 특성 중에서 '내부 구조 배열이 회전(rotation)하는 모델'을 유연한 고체 물질에서 구현, NPR 특성을 갖는 MOF를 합성했다. 새로 합성한 MOF에는 경첩처럼 접히는 구조(Hinged Point)가 있어, 이를 중심으로 내부 구조 배열이 변했다.
그 결과 회전 메커니즘을 토대로 물질이 수축·팽창하면서 NPR 특성을 보였다.
최 교수는 “이번 연구의 가장 큰 성과는 지금까지 보고된 7만여 개 MOF 중 특정 구조가 NPR 특성을 갖는 물질 후보가 될 수 있음을 보인 것"이라면서 "다양한 구조에서 새로운 메타물질 등장을 예고한다”고 밝혔다.
이번 연구는 국제 학술지 사이언스 자매지 '사이언스 어드밴시스'(Science Advances) 10일 자에 게재됐다.
울산=임동식기자