분쇄되어 압축된 나무는 강철보다 강도가 뛰어난 재료가 된다

분쇄되어 압축된 나무는 강철보다 강도가 뛰어난 재료가 된다

강철은 대단히 단단한 재료로서 알려져 있습니다만, 「목재를 분쇄하고, 압축한다」라고 하는 공정에 의해 강철보다도 강도가 뛰어난 재료를 만들어 내는 방법이 과학지 nature에 발표되고 있습니다.

목재 강도를 더하는 연구는 오랜 세월에 걸쳐 실시되어 왔습니다만, 그 대부분은 식물의 세포벽에 포함되는 셀룰로스중의 천연의 경질 폴리머인, Cellulose Nanofibers를 추출하고, 조합시키는 것으로 새로운 재료를 만들어 내는 것에 초점이 되고 있었습니다. 

메릴랜드 대학교 Li Teng씨의 연구팀은, 지금까지 어프로치와 다르는 각도로부터, 목재를 강화하는 것에 도전했습니다. 팀은 수산화 나트륨과 아황산 나트륨의 용액에 오크 재료 등 여러종류의 목재를 넣고, 7시간에 걸쳐 푹 끓였습니다. 그 결과, 전분질의 셀룰로스는 대부분이 남았지만, 그 이외 리그닌을 포함하는 성분이 흘러 나간 목재의 구조에는, 많은 구멍이 난 상태가 된 것입니다.

그 후, 팀은 100도로 하루종일 목재를 압축. 그리고 형성된 목재는 두께가 원래의 목재 5분의 1, 밀도는 3배로 강도가 11.5배에도 향상했습니다. 이전 어프로치에서는 강도 상승은 3배에서 4배정도이었던 것을 고려하면, 이것은 큰 성과라고 말할 수 있습니다.

새롭게 만들어 내진 재료를 주사형 전자현미경으로 스캔하면, 압축된 셀룰로스 섬유가 서로 서로 얽혀 있는 것을 알게 되었습니다. 독일에 있는 맥스 플랑크 연구소 Michaela Eder씨는 「지금까지 목재를 압축하는 것으로 강도를 얻을 수 있는 것은 알려져 있었지만,Cellulose Nanofibers의 서로 얽히기가 강도에 기여하는 영향은 알려져 있지 않았다」라고 하고 있습니다.

연구팀은 재료강도를 측정하기 위해서, 군용차량의 내구시험에 사용하는 에어건에서 강철로 만든 제품의 탄알을 초속 30미터로 부딪쳤습니다. 그러자, 새로운 재료가 얇은 판자를 5장 포갠 두께 3밀리의 층은, 강철로 만든 제품의 탄알을 정지시키는 것에 성공. 초속 30미터라고 하는 속도는 실제의 총격보다도 늦은 속도지만, 차량사고에 있어서의 속도와 같은 정도, 그냥 차량에 사용하기 위해서는 충분한 강도라고 말할 수 있습니다.

그러나, 다른 연구자들에게서는 「다른 수법을 사용하면 더욱 싸고, 더 강한 재료를 만들어 낼 수 있다」라고 하는 의견도 나오고 있습니다. 오리건 주립 대학교 Fred Kamke씨는 「목재의 리그닌을 제거하지 않고, 보다고온으로 압축하고, 마지막으로 수지로 코팅하는 것으로 대부분 같은 정도의 재료를 만들어 낼 수 있다」라고 진술하고 있습니다.

Li Teng씨의 공동 연구자인 Hu Liangbing씨는 「적당한 리그닌을 제거하는 것으로, 목재가 가지는 최고의 강도를 발휘시키는 것이 가능하다」라고 진술하고 있어, 목재로 45퍼센트의 리그닌을 제거했을 때가, 가장 강도한 높은 재료를 얻을 수 있었다. 리그닌을 너무나 제거하면 밀도가 낮게 되고, 무른 재료가 되어버리는 것도 알고 있습니다.

Michaela Eder씨는 Li Teng씨들팀이 발표한 연구 결과에 대해서 「나는 이 방향의 연구에 가능성을 찾아내고 있습니다. 나무에 고유한 성질을 이용해서 강도를 향상시키려고 하는 점이 훌륭하다. 실로 흥미 깊은 재료입니다」라고 이야기했습니다.