프랙탈 구조의 벌집

       

프랙탈 구조의 벌집  과학과 사회 / 과학  2014/09/14 09:00 http://blog.naver.com/hansyoo/220119176075 전용뷰어 보기 프랙탈 구조의 벌집 Sep 10, 2014, Katherine Kornei, physicsworld.com    벌집 형태의 격자와 프랙탈(fractal) 구조는 여러 생물학적 소재에서 발견된다. 미국과 영국, 그리고 프랑스의 과학자들은 이 두 가지 타입의 패턴을 합하여 더욱 더 강하고 가벼운 소재를 만들었다. 항공우주산업에서 의료분야에 이르기까지 다양하게 응용될 수 있다. 이번에 제작된 것은 센티미터 크기의 단위 셀이지만, 연구팀은 탄소 나노튜브를 이용하여 나노스케일로도 비슷한 소재가 만들어질 수 있다고 생각한다.   내 압축 능력 테스트 중인 프랙탈 벌집 구조 (Courtesy: Ashkan Vaziri) ​    육각형 벌집 패턴은 자연에서 흔히 나타난다. 강하고 단단하며 가볍다. 아르마딜로 가죽과 새의 부리, 그리고 물론 벌이 만드는 밀랍 등이 천연 벌집의 예가 된다. 공학자들은 벌집이 강하면서도 밀도가 낮은 것을 오래 전부터 알고 있었으며 인공위성 부품에서 새로운 심장 조직을 위한 스캐폴딩(scaffolding)에 이르기까지 다양하게 응용해 왔다.    그런데 지금 노스이스턴(Northeastern) 대학의 아쉬칸 바지리(Ashkan Vaziri) 연구팀은 영국 옥스퍼드 대학 및 프랑스 리용 대학의 연구원들과 함께 벌집 모양의 프랙탈 구조가 기존의 벌집 형태보다 더욱 더 변형에 강한 것을 보였다.     계층적 구조    프랙탈은 같은 패턴이 스케일을 달리하며 나타나는 것으로 여러 가지 천연 소재, 즉, 브로콜리, 솔방울, 앵무조개 등에서 발견된다. 계층적 구조는 어디든 있으며 유기 소재 및 생물 시스템에서 다양한 스케일로 발견된다고 바지리는 설명한다. 벌집은 그 차제는 프랙탈이 아니다 대표적인 형태가 단 하나의 스케일로 나타나기 때문이다. 그러나 육각 벌집으로도 계층적 프랙탈 구조가 만들어질 수 있다. 아래 그림에서처럼 3개의 모서리 꼭지점을 또 다른 작은 육각형으로 대체하면 된다.    다음으로 바지리와 동료들은 프랙탈 정도(fractal order)에 따라 기계적 특성이 어떻게 나타나는지 조사했다. 그들의 목표는 새로운 계층 구조로 기계적 반응 면에서 우월한 셀 구조체를 개발하는 것이라고 바지리는 말했다.     한계에 도달하다.    컴퓨터 시뮬레이션은 각각의 구조에서 탄성계수를 구하는데 초점이 맞추어져 있다. 소재가 변형에 저항하는 능력을 측정하는 것이다. 서로 다른 수의 육각 계층 구조 간 의미 있는 비교를 위하여 연구팀은 각각의 구조에서 두께를 조정하여 모두 같은 밀도를 갖도록 만들었다.     일반적으로 셀 구조의 밀도를 높이고 형태를 유지하면 기계적 특성이 개선된다고 바지리는 설명한다.    시뮬레이션은 탄성 계수를 예측한다. 그리고 계산에 의하면 아주 높은 계층 구조가 아니라도 바람직한 탄성 계수를 갖는 소재가 만들어질 수 있다고 제시된다. 현재 3차원 프린팅 기술로는 아주 높은 계층 구조를 만들기 어렵기 때문에 실용 측면에서 좋은 소식이다.     실제 구현     다음 단계로 바지리 연구팀은 실험실에서 테스트를 했다. 3차원 프린터를 사용하여 다섯 개의 벌집 구조로 폴리머 쉘을 압출 성형했다. 벌집 벽의 두께는 3차원 프린터의 제약 때문에 2mm로 유지했다. 일정한 밀도를 유지하기 위하여 두께 대신 개별 셀의 크기가 조정되었다.   벌집 안의 벌집: 3차원 프린터로 만든 단위 셀 ​    사출 성형된 구조의 육각 모서리 길이는 0.6~2.2cm였다. 연구원들은 각각의 구조에 대해 압축 반응과 탄성 계수를 테스트했다. 계층성(hierarchy)의 함수로 변형에 대한 저항력을 기록했다. 결과는 시뮬레이션에서 예측한 대로 특정 한도까지는 계층성이 높아질수록 점차 탄성 계수가 증가했다. 바지리 연구팀은 센티미터 길이의 단위 셀에 집중했지만, 그들은 보다 작은 스케일로 적용할 수 있다고 생각한다. 계층적 벌집 구조가 탄소 나노튜브로 만들어질 수 있다고 바지리는 주장한다. 탄소 나노튜브로 조립되는 내-변형(耐變形, deformation-resistant) 구조는 생물 공학과 소재 과학 분야에 널리 응용될 수 있다.  - 네이버 블로그 <Physics of Dream>  hansyoo 님의 글 중에서 전재..  구조의 벌집|작성자 HANS