금속은 대개 물보다 밀도가 높습니다. 따라서 금속 덩어리를 물에 집어넣으면 가라앉죠. 물론 내부에 빈공간을 만들면 이야기는 달라집니다. 예를 들어 철 금속 덩어리를 물에 던지면 바로 가라앉지만, 철 합금으로 배를 만들면 물에 뜰 수 있죠. 그런데 아예 금속 합금 자체가 물보다 밀도가 낮다면 어떨까요?
사실 정직한 방법으로는 불가능한 일이지만 꼼수를 쓰면 됩니다. 뉴욕공대의 과학자들이 쓴 것도 약간 꼼수지만, 효과적으로 가벼운 금속합금을 만드는 방법입니다. 이들이 만든 단단한 마그네슘 합금의 밀도는 0.92g/㎤으로 물보다 낮습니다. 따라서 이 합금을 물에 던지면 물위에 둥둥 뜨게 됩니다.
마그네슘은 가볍긴 하지만 비중이 1.741로 물보다는 높습니다. 그런데도 뜨는 이유는 내부 구조에 있습니다. 작은 기포 같은 빈공간이 금속 합금 내부에 있어 가벼워진 것이죠.
(물에 뜨는 마그네슘 합금. 출처: 뉴욕공과대학 The first metal matrix syntactic foam is so light it can float, strong enough to withstand the rigors of a marine environment, and resistant to heat, which makes it a candidate for automakers seeking to shed weight to improve fuel economy. The composite was the work of NYU Polytechnic School of Engineering Professor Nikhil Gupta and Deep Springs Technology (DST) in collaboration with the U.S. Army Research Laboratory.
Credit: NYU Polytechnic School of Engineering)
뉴욕공대의 니크힐 굽타(Nikhil Gupta) 교수와 그의 동료들은 미 육군 연구소의 지원을 받아 이 초경량 마그네슘 합금을 개발했습니다. 사실 속이 빈 금속 자체는 놀라운 일이 아닙니다. 문제는 내부를 빈공간으로 만들면서도 강도를 유지하는 것이겠죠.
뉴욕공대의 연구자들은 딥 스프링 테크놀로지(Deep Springs Technology (DST))와 협력해 이 문제를 해결했고 합니다. 이들이 사용한 방식은 탄화규소(silicon carbide)를 이용해 합금 내부에 작은 기포를 만드는 것입니다. 이렇게 만들어진 내부의 빈공간은 외부에서 가해지는 힘에 매우 강해 평방인치당압력(PSI)을 무려 25,000 파운드나 견딜 수 있다고 합니다.
연구자들은 이런 초경량 합금이 앞으로 여러 분야에서 응용될 수 있을 것으로 기대하고 있습니다. 하지만 특히 이중에서도 지원을 해준 미군의 기대가 큰 것으로 보입니다. 미 육군 및 해병대는 차세대 수륙양용차량인 Ultra Heavy-lift Amphibious Connector (UHAC) 같은 신무기 개발에 이 합금이 도움을 줄 것으로 기대하고 있습니다. 가볍고 단단한 금속으로 수륙양용 장갑차를 만든다면 방호력을 희생하지 않고 물에 뜨는 장갑차를 만들 수 있겠죠.
물론 실제 양산에 이르기 위해서는 제조 방식이나 비용 등 여러 가지 문제를 해결해야 하지만, 물에 뜨는 가벼운 금속 합금은 고강도 경량 소재를 필요로 하는 여러 분야에 새로운 가능성을 열어주고 있습니다.
참고
Journal Reference:
- Harish Anantharaman, Vasanth Chakravarthy Shunmugasamy, Oliver M. Strbik, Nikhil Gupta, Kyu Cho. Dynamic properties of silicon carbide hollow particle filled magnesium alloy (AZ91D) matrix syntactic foams. International Journal of Impact Engineering, 2015; DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2015.04.008
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