해면 동물의 골격에서 찾은 초경량 고강도 구조물

(The skeleton of Euplectella aspergillum, a deep-water marine sponge. Credit: Matheus Fernandes/Harvard SEAS)

(Composite rendering that transitions from a glassy sponge skeleton on the left to a welded rebar-based lattice on the right, highlighting the biologically inspired nature of the research. Credit: Image Courtesy of Peter Allen, Ryan Allen, and James C. Weaver/Harvard SEAS )

(A spectacular group of Venus flower basket glass sponges (Euplectella aspergillum) glass sponges with a squat lobster in the middle. NOAA Okeanos Explorer Program, Gulf of Mexico 2012 Expedition)

해면은 보통 단단함보다는 부드럽고 쉽게 찌그러지는 특징을 지니고 있습니다. 하지만 항상 예외는 존재합니다. 하버드 대학 존 A 폴슨 공학 및 응용과학 교실(Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS))의 연구팀은 비너스의 꽃바구니 (Venus' flower basket, 학명 Euplectella aspergillum)라는 유리 해면의 단단한 골격을 연구했습니다.

유리 해면(glass sponge)은 심해성 해면의 일종으로 이름처럼 유리질의 반투명한 레티스 형태의 골격을 지니고 있습니다. 비너스의 꽃바구니는 처음 봤을 때 해면일까 싶을 정도로 독특한 레이스 문양을 지닌 심해 해면입니다. 그런데 연구팀은 마테우스 페르난데스 (Matheus Fernandes)를 포함한 SEAS의 연구팀은 이 해면의 골격이 매우 가볍지만 튼튼하다는 사실을 확인했습니다.

이 해면의 골격 미세 구조는 건축물이나 조형물에서 흔히 사용되는 대각선 격자 (diagonal lattice) 형태의 미세구조를 지니고 있습니다. 그런데 더 자세히 들여다보니 이 대각선 격자 구조는 다시 직각으로 교차하는 기둥 같은 구조들에 의해 보강되어 있었습니다. (사진 참조) 이렇게 만든 미세 격자 구조는 높은 수압에서도 해면 동물의 몸을 지탱할 수 있습니다. 연구팀에 따르면 이 격자 구조는 현대 건축에서 사용되는 어떤 격자 구조보다 높은 무게 대 강도비 (strength-to-weight ratio)를 지니고 있었습니다. 5억년이 넘는 세월에 걸친 진화가 인간의 지능보다 더 우수한 구조물을 만든 것입니다.

연구팀은 이 새로운 대각선 직선 교차 격자 구조가 더 튼튼한 건축물이나 가벼운 항공기를 만드는데 도움을 줄 것으로 기대하고 있습니다. 해면의 지혜가 인간을 더 풍요롭게 만들 수 있을지 궁금합니다.

참고

https://phys.org/news/2020-09-marine-sponges-skyscrapers-bridges.html

https://en.wikipedia.org/wiki/Venus%27_flower_basket

Matheus C. Fernandes et al, Mechanically robust lattices inspired by deep-sea glass sponges, Nature Materials (2020). DOI: 10.1038/s41563-020-0798-1

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