스파이더맨에서 영감을 받아, 실험실에서 거미줄 발사 기술을 재현

만화책이나 스파이더맨 영화를 본 모든 아이는 손목에서 거미줄을 쏘고, 거리를 날아다니며, 악당을 잡는 것이 어떤 것인지 상상해 보려고 했습니다. Tufts University의 연구자들은 이러한 상상의 장면을 진지하게 받아들여, 액체 물질이 바늘에서 발사되고, 즉시 끈으로 굳어지고, 물체에 달라붙어 들어올릴 수 있는 최초의 거미줄 던지기 기술을 만들어냈습니다.

Tufts University Silklab에서 만든 이 끈적끈적한 섬유는 누에나방 고치에서 나온 것으로, 누에나방 고치를 용액에 끓인 후 분해하여 피브로인이라는 구성 요소 단백질을 만듭니다. 실크 피브로인 용액은 좁은 구멍의 바늘을 통해 압출하여 흐름을 형성할 수 있으며, 적절한 첨가제를 넣으면 공기에 노출되면 섬유로 응고됩니다.

물론, 실크 섬유를 끈, 거미줄, 고치에 배치하는 데 있어 자연이 원래의 영감이었습니다. 거미, 개미, 말벌, 벌, 나비, 나방, 딱정벌레, 심지어 파리조차도 수명 주기의 어느 시점에서 실크를 생산할 수 있습니다. 또한 자연은 Silklab이 수중에서 작동할 수 있는 강력한 접착제, 사실상 모든 표면에 적용할 수 있는 인쇄 가능한 센서, 농산물의 유통기한을 연장할 수 있는 식용 코팅, 태양 전지의 효율성을 크게 향상시킬 수 있는 집광 재료, 그리고 보다 지속 가능한 마이크로칩 제조 방법을 만드는 데 실크 피브로인을 사용하는 데 선구적인 영감을 주었습니다.

그러나 그들이 실크 기반 소재에서는 상당한 진전을 이룬 반면, 연구자들은 아직 거미의 기술을 재현하는 데는 실패했습니다. 거미는 자신이 뽑는 실의 강성, 탄성, 접착력을 스스로 조절할 수 있습니다.

순전히 우연히 돌파구가 생겼습니다. "저는 실크 피브로인을 사용하여 매우 강력한 접착제를 만드는 프로젝트를 진행 중이었는데, 아세톤으로 유리잔을 닦던 중 유리잔 바닥에 거미줄 같은 물질이 형성되는 것을 보았습니다." 터프츠의 연구 조교수인 마르코 로 프레스티가 말했습니다.

우연한 발견은 거미줄을 복제하는 데 있어 여러 가지 공학적 과제를 극복했습니다. 실크 피브로인 용액은 에탄올이나 아세톤과 같은 유기 용매에 노출되면 몇 시간 동안 천천히 반고체 하이드로젤을 형성할 수 있지만 접착제를 만드는 데 사용되는 도파민이 존재하여 응고 과정이 거의 즉시 발생할 수 있었습니다. 유기 용매 세척액을 빠르게 섞었을 때 실크 용액은 인장 강도와 점착성이 높은 섬유를 빠르게 생성했습니다. 도파민과 그 폴리머는 갑각류가 표면에 끈기 있게 달라붙는 섬유를 형성하는 데 사용하는 것과 동일한 화학 물질을 사용합니다.

다음 단계는 섬유를 공기 중에서 회전시키는 것이었습니다. 연구자들은 실크 피브로인 용액에 도파민을 첨가했는데, 이는 실크에서 물을 끌어내어 액체에서 고체로의 전이를 가속화하는 것으로 보입니다. 동축 바늘을 통해 분사하면 얇은 실크 용액 흐름이 아세톤 층으로 둘러싸여 응고를 유발합니다. 아세톤은 공기 중에서 증발하여 접촉한 모든 물체에 섬유가 부착됩니다. 연구자들은 실크 피브로인-도파민 용액을 곤충 외골격의 파생물인 키토산으로 강화하여 섬유의 인장 강도를 최대 200배 높이고, 접착력을 약 18배 증가시킨 붕산염 완충액으로 강화했습니다.

섬유의 직경은 바늘의 구경에 따라 사람 머리카락 굵기에서 약 0.5mm까지 다양했습니다.

이 장치는 다양한 조건에서 자체 무게의 80배가 넘는 물체를 집어 올릴 수 있는 섬유를 발사할 수 있습니다. 연구자들은 약 12cm 떨어진 곳에서 고치, 강철 볼트, 물 위에 떠 있는 실험실 튜브, 모래에 반쯤 묻힌 메스, 나무 블록을 집어 올려 이를 시연했습니다.

로 프레스티는 "자연을 살펴보면 거미가 거미줄을 쏠 수 없다는 것을 알 수 있습니다. 거미는 보통 샘에서 실크를 뽑아내고, 물리적으로 표면에 접촉하고, 선을 그어 거미줄을 만듭니다. 우리는 장치에서 섬유를 쏘아내고, 멀리서 물체에 달라붙어 집어올리는 방법을 시연하고 있습니다. 이 작품을 생물학적으로 영감을 받은 소재로 제시하는 것이 아니라, 실제로는 슈퍼히어로에서 영감을 받은 소재입니다."라고 말했습니다.

천연 거미줄은 여전히 ​​이 연구에서 인공 섬유보다 약 1000배 더 강합니다. 하지만 약간의 상상력과 공학을 더하면 혁신은 계속 개선되고 다양한 기술적 응용 분야의 길을 열 것입니다.

"과학자이자 엔지니어로서 우리는 상상과 실천의 경계를 탐색합니다. 모든 마법이 일어나는 곳이 바로 거기입니다." Tufts University의 Frank C. Doble 공학 교수이자 Silklab의 책임자인 Fiorenzo Omenetto가 말했습니다. "우리는 자연에서 영감을 받을 수 있습니다. 만화와 공상 과학에서 영감을 받을 수 있습니다. 이 경우, 우리는 실크 소재를 역공학하여 자연이 원래 설계한 방식과 만화 작가가 상상한 방식으로 작동하도록 하고 싶었습니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241009215417.htm