과제: 탄소 섬유 및 그래핀과 같이 강하면서도 가벼운 소재는 의료용 임플란트부터 비행선까지 모든 것을 만드는 데 사용되며, "무게 대비 강도 비율"이 훨씬 더 높은 소재를 개발하는 것이 많은 재료 과학자들의 목표이다.

그 목표를 추구하면서 일부 사람들은 자연으로 눈을 돌려 일부 식물을 매우 강하게 만드는 빅토리아 수련과 같은 속이 빈 격자 구조를 금속에 복제하는 방법을 찾았다.

하지만 지금까지 사용 가능한 제조 기술을 사용하여 만들 수 있었던 것은 부족했다. 하중 응력의 고르지 않은 분포는 이러한 합성 소재가 천연 소재만큼 강하지 못한 주된 이유이다.

RMIT 대학의 첨단 제조 및 재료 분야 저명한 교수인 마 퀴안(Ma Qian)은 "이상적으로는 모든 복잡한 셀룰러 재료의 응력이 고르게 분산되어야 한다."고 말했다. "대부분의 토폴로지에서는 재료의 절반 미만이 주로 압축 하중을 견디는 것이 일반적이며, 재료의 더 큰 부피는 구조적으로 중요하지 않다."

새로운 소식: 퀴안의 팀은 고급 금속 3D프린팅기술을 사용하여 자연에서 볼 수 없는 특성을 지닌 물질인 새로운 "메타물질"을 만들었다. 격자 구조는 하중 응력을 더욱 고르게 분산시킨다.

테스트에서 일반적인 티타늄 합금으로 제작된 메타물질은 항공우주에서 사용되는 비슷한 밀도의 가장 강한 합금보다 50% 더 강한 것으로 입증되었다.

“우리는 내부에 얇은 밴드가 있는 속이 빈 관형 격자 구조를 설계했다.”라고 퀴안이 말했다. “이 두 요소는 이전에 자연에서 함께 볼 수 없었던 강인함과 가벼움을 함께 보여준다. 두 개의 보완적인 격자 구조를 효과적으로 병합하여 응력을 고르게 분산시킴으로써 일반적으로 응력이 집중되는 약점을 피할 수 있다.”

이전 설계(왼쪽)에서 응력이 집중된 부분이 빨간색과 노란색으로 표시된다. 새로운 구조(오른쪽)에서는 응력이 더욱 고르게 분포된다.

메타물질 만들기: 초강력 메타물질을 만들기 위해 RMIT 팀은 "레이저 파우더 베드 융합"이라는 3D 프린팅 기술을 사용했다. 이는 재료가 노즐에서 층별로 압출되는 기존 3D 프린팅과 매우 다르다.

대신 금속 분말 층이 프린터 바닥 위에 펼쳐진다. 그런 다음 레이저를 사용하여 원하는 패턴으로 분말을 녹인다. 그런 다음 또 다른 분말 층을 층에 추가하고 새로 녹은 금속이 그 아래의 금속에 결합되면서 과정이 반복된다.

전망: 이 기술을 통해 고유한 메타물질을 생성할 수 있었지만 적어도 처음에는 이를 실험실에서 실제 응용 분야로 가져오는 데 장애물이 될 수도 있다.

수석 저자인 조던 노로냐(Jordan Noronha)는 "전통적인 제조 공정은 이러한 복잡한 금속 메타물질을 제조하는 데 실용적이지 않으며 모든 사람이 창고에 레이저 분말층 융합 기계를 갖고 있는 것은 아니다."고 말했다.

"그러나 기술이 발전함에 따라 접근성이 높아지고 인쇄 프로세스가 훨씬 빨라져 더 많은 청중이 구성 요소에 고강도 다중 토폴로지 메타물질을 구현할 수 있게 될 것이다."고 그는 계속했다.