메타물질: 꼬인 막대는 대량의 에너지를 저장한다

에너지를 흡수하는 스프링이든, 기계적 에너지를 저장하는 버퍼이든, 로봇이나 에너지 효율적인 기계의 유연한 구조이든: 기계적 에너지의 저장은 많은 기술에 필요합니다.

운동 에너지, 즉 운동 에너지 또는 해당 기계적 작업은 필요할 때 완전히 다시 방출될 수 있는 방식으로 탄성 에너지로 변환됩니다.

여기서 핵심적인 특성은 엔탈피입니다. 이는 재료의 요소에 저장되고 회수될 수 있는 에너지 밀도입니다. KIT 응용 재료 연구소(IAM)의 재료 역학 교수인 Peter Gumbsch는 가능한 가장 높은 엔탈피를 달성하는 것이 어렵다고 설명합니다.

"어려움은 높은 강성, 높은 강도 및 큰 회복 가능한 변형률이라는 상충되는 특성을 결합하는 것입니다."

메타물질의 나선형 변형 막대의 영리한 배열

초물질은 자연에서 발생하지 않는 인공적으로 설계된 물질입니다.

개별적으로 정의된 단위로 조립되어 효과적인 재료 특성을 향상시킬 수 있습니다.

프라이부르크에 있는 프라운호퍼 재료역학 연구소(IWM)의 소장이기도 한 피터 굼브쉬와 중국, 미국 출신 멤버들로 구성된 그의 국제 연구팀은 이제 높은 회복 가능 탄성 에너지 밀도를 가진 기계적 메타물질을 개발하는 데 성공했습니다.

"처음에 우리는 막대를 깨거나 영구적으로 변형시키지 않고도 간단한 둥근 막대에 많은 양의 에너지를 저장할 수 있는 메커니즘을 발견했습니다."라고 Gumbsch는 말합니다.

"막대의 영리한 배열을 정의함으로써 우리는 이 메커니즘을 초물질에 통합했습니다."

과학자들은 이 메커니즘을 고전적인 굽힘 스프링과 비교하는데, 고전적인 굽힘 스프링의 최대 변형률은 상단과 하단 표면에 발생하는 높은 인장 및 압축 응력으로 제한되어 파손 또는 영구적 소성 변형이 발생합니다.

이렇게 구부러지는 스프링에서는 내부 전체에 가해지는 응력이 매우 낮습니다.

그러나 막대가 꼬이면 전체 표면이 높은 응력을 받지만 낮은 응력 하의 내부 체적은 상당히 작아집니다.

이 메커니즘을 활용하려면 비틀림이 너무 높아서 복잡한 나선형 좌굴 변형이 발생해야 합니다.

엔탈피는 다른 메타물질보다 2~160배 더 높습니다.

연구진은 비틀림 하중과 나선형 변형이 가해진 막대를 단축 하중 하에서 거시적으로 사용할 수 있는 메타물질로 통합하는 데 성공했습니다.

시뮬레이션을 통해 메타물질이 높은 강성을 가지고 있어 큰 힘을 흡수할 수 있다는 것을 예측할 수 있었습니다. 또한 그 엔탈피는 다른 메타물질보다 2~160배 높습니다.

이를 확인하기 위해 그들은 거울상 키랄 구조를 가진 다양한 메타물질에 대한 간단한 압축 실험을 수행했습니다.

"높은 탄성 에너지 저장 용량을 가진 새로운 메타물질은 효율적인 에너지 저장과 뛰어난 기계적 특성이 모두 필요한 다양한 분야에서 미래에 사용될 수 있는 잠재력이 있습니다."라고 Gumbsch는 말합니다. 스프링 기반 에너지 저장 외에 상상할 수 있는 응용 분야로는 충격 흡수 또는 감쇠, 로봇 공학 또는 에너지 효율적인 기계의 유연한 구조가 있습니다. 또는 메타물질 내부에서 발생하는 꼬임은 순수 탄성 조인트에 사용될 수 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/04/250402122836.htm