플라스틱처럼 만들어진 금속 :: Today

문을 열어 보면 경첩이 문을 열고 닫게 한다는 것을 알려주지만 영구적으로 휘는 것은 아니다. 이런 기계적인 움직임의 간단한 개념은 우주선의 거울과 안테나 등 모든 종류의 움직일 수 있는 구조들을 만드는데 중요하다. 캘리포니아 파사데나 나사 제트 추진 연구소 재료 과학자들은 움직임 기반 기구들을 위해 이용될 수 있는 재료들을 개발하는 새롭고 혁신적인 방법들을 개발하고 있다.

소자는 움직일 때 금속이 유연하지만 영구적으로 변형되지 않는다. 이를 유연 기구이라 부른다. 유연 기구는 스프링, 수술 기구, 가위, 빨래 집게, 마이크로 소자 내에서 흔히 볼 수 있다.

유타 프로보 브리검영 대학과 파사데나 캘리포니아 공과 대학 연구원들은 어드밴스드 엔지니어링 머터리얼스 지 표지에 선보인 최근 논문에서 새로운 재료와 제조 기술의 결합을 이용하여 복잡하고 저가인 유연 기구를 개발하는데 새로운 방법을 설명하고 있다. 그들은 이 기구들을 위해 벌크 금속 유리라고 불리는 재료들이 매우 바람직한 특성을 가진다고 말했다. 이 유리들은 원자들의 무질서한 배열을 가지도록 디지인된 금속 합금이다.

연구원들은 이 금속들이 유연성과 내구성이 요구되는 응용들을 위해 바람직한 특성을 가지면서 플라스틱과 같이 주입-금형되며 값싸게 실현했다고 JPL에서 이 연구의 주발명자인 더글라스 호프만이 전했다. 호프만은 JPL에서 재료 과학과 금속학의 연구원이며 칼텍의 방문 연구원이다. 또한 그는 이 방법이 고성능 금속들에 대한 전체적으로 새로운 산업을 제공할 것이라고 덧붙여 말했다.

일반적으로 티타늄 합금들이 이런 기구에 최고의 물질이지만 티타늄으로는 만들기 어렵기 때문에 유연 기구에서 사용되어왔다고 이 논문의 공저자이며 브라검영 대학 교수인 래리 호웰이 말했다. 이 새로운 연구는 벌금 금속 유리가 낮은 녹는 온도를 갖고 있지만 두 배의 강도와 티타늄 합금의 유연성을 가진다는 것을 보였다.

JPL 기계 공학자이며 이 연구의 공저자인 브라이언 트리스는 그가 장시간 플렉서블 기구들을 만들어왔고 이 물질이 지금까지 찾아왔던 완벽한 물질이라고 주장했다.

재료 과학자들이 티타늄 합금의 3-D 프린팅에 집중하고 있지만, 이 새로운 연구는 벌금 금속 유리들을 이용할 때 그들의 성능을 유지하지만 복잡한 모양들이 저가로 금형될 수 있다는 것을 보여주고 있다.

만약 원한다면 이 물질로 인공적인 팔다리를 가진 로봇 베어링들을 만들 수 있을 것이며 이 물질은 유연성과 고강도를 찾고 있는 기구들을 위해 이상적이라고 이 연구의 교신저자이며 브리검영 대학 기계 공학과 조교수인 에릭 호머가 말했다.

이 새로운 연구에서, 연구원들은 수 많은 유연 기구들의 성능을 모델화했고 일반적으로 티타늄의 예측된 성능의 두 배인 벌크 금속 유리가 이런 응용들에서 최고의 성능을 보일 재료가 될 것으로 예측했다. 이 모델을 확인하기 위해, 다른 두 위치 내에서 고정할 수 있는 쌍안정 스프링이 티타늄과 금속 유리 모두로 만들어지고 장점을 보이기 위해 기계적으로 시험했다. 이후 연구원들은 산업계에서 가용한 새로운 주입-금형 기술을 이용하여 새로운 기구의 30가지 독립적인 버전들을 제조하기 위해 두 회사들들과 협력했다.

이 복잡한 소자들이 디자인될 수 있고 기초 과학을 이용하여 프로토타입을 만들 수 있는지 시험하는 것은 이때문이다. 이는 다음 단계를 진행하면서 그들을 정확하게 제조하도록 산업체와 함께 작업하는 것이 연구실에서 할 수 있는 것과 실제 우주선 하드웨어로 전달될 수 있는 것과의 틈을 연결할 수 있기 때문이다.

또한 연구원들은 거울을 회전시키는데 이용되는 큰 마운트로 다양한 벌크 금속 유리 성분들의 조립을 시험했다.

연구원들은 우주에서 이 기구들을 이용하는 것이 장비들 내에서 정확성을 높이고 무게를 줄이는데 도움을 줄 것으로 기대하고 있다. 또한 이 기구들은 모터를 이용하기 위해 필요없는 성분들을 배치하기 위해 우주에서 사용될 수 있는 탄성 에너지를 저장하는데 유용할 수 있을 것이다.

JPL과 브리검영 대학의 호프만과 공저자들은 항공우주와 방어를 위한 응용들에 기대하고 있다. 골프 클럽과 같은 스포츠 용품들은 이 재료들로 만들어질 수 있으며 전고관절 대치술 부품들과 같은 인체 내에서 유연성이 요구될 수 있는 의료 삽입물들도 가능할 것이다. 우주선에서, 금속 유리들은 우주선 외부로 위성을 발사하거나 안테나를 열기 위한 구조들 혹은 거울들을 특정 각도로 기울이거나 위치를 정하는데 이용될 수 있을 것이다. 만약 금속 유리들이 플라즈틱과 같은 무게로 만들어질 수 있고 금속의 견고한 특성을 유지한다면 그들은 노트북 컴퓨터에서 로봇, 자동차에 이르는 광범위한 소비자 제품들에 이용될 수 있을 것이다.