달팽이 이빨, 거미줄을 제치고 자연계에서 가장 강한 물질로 확인(2015)

• 영국 연구진이 삿갓조개류 해양 달팽이의 이빨을 시험한 결과, 인장 강도가 대부분의 거미줄보다 평균 약 5배 높아 측정된 자연 물질 가운데 가장 강했음
• 이빨은 철을 함유한 결정인 침철석(goethite) 나노섬유를 단백질 기질이 감싸는 복합 구조로 이루어짐
• 강도의 상한은 Kevlar보다 크게 높고 최고 품질의 탄소섬유와 비슷하지만, 그래핀처럼 가장 강한 인공 재료에는 미치지 못함
• 삿갓조개는 근육질 발과 분비물로 제곱인치당 75파운드의 힘을 내 바위에 붙고, 치설(radula) 에 박힌 이빨로 먹이를 섭취하며 바위를 갈아냄
• 여기서 비교하는 기준은 잡아당길 때 끊어지지 않는 인장 강도이며, 압축 강도나 긁힘·절단에 저항하는 경도와 구별해야 함

삿갓조개 이빨의 구조와 강도

• 삿갓조개는 파도가 부딪히는 바위에 단단히 붙어 사는 해양 달팽이로, 근육질의 연체동물 ‘발’과 화학적 분비물을 이용해 제곱인치당 75파운드의 힘으로 밀착할 수 있음
• 먹이를 먹을 때는 여러 이빨이 박힌 혀인 치설(radula) 로 바위를 갈아냄
• 실험에서 이 이빨 재료는 대부분의 거미줄보다 평균 약 5배 높은 인장 강도를 보였음
  • 연구진은 이 강도를 스파게티 한 가닥이 각각 1파운드인 설탕 봉지 약 3,300개를 지탱하는 수준에 비유함
  • 탄소를 다이아몬드로 바꿀 정도의 압력에도 견딜 수 있다고 소개됐지만, 편집자 주는 본문의 비교 기준이 인장 강도라는 점을 별도로 명확히 함
• 이빨은 철 함유 결정인 침철석 나노섬유를 단백질 기질이 감싼 구조임
  • 측정 범위의 상한은 Kevlar를 크게 앞서며 최고 품질의 탄소섬유와 비슷함
  • 그래핀을 비롯한 가장 강한 인공 재료보다는 약함
• 연구 결과는 Journal of the Royal Society Interface에 게재됨

서로 다른 재료 특성과 공학적 활용

• 지구상의 강한 재료를 폭넓게 비교하면 다이아몬드보다 강한 인공 나노재료가 있으며, 자연계에도 다이아몬드보다 더 큰 응력을 견디는 희귀 재료 두 종류가 있음
  • wurtzite boron nitrate는 다이아몬드와 유사한 원자 배열을 가지며 붕소와 질소로 구성됨
  • lonsdaleite는 탄소로 이루어졌지만 다이아몬드의 입방 구조와 달리 육각 구조이며, 흑연을 포함한 운석이 지구에 충돌할 때 생성될 수 있음
  • lonsdaleite는 다이아몬드보다 58% 더 큰 응력을 견딜 수 있음
• 다만 wurtzite boron nitrate 비교는 인장 강도가 아니라 긁힘이나 절단에 저항하는 경도에 관한 것이므로, 삿갓조개 이빨과 동일한 기준의 순위로 해석하면 안 됨
• 단단하면서도 강하고 유연한 재료는 차세대 소재·구조물·기계 개발에 유용하며, 삿갓조개 이빨의 복합 구조는 새로운 생체모방 소재의 연구 대상이 됨