High Bulk Modulus Pentamodes: the Three-Dimensional Metal Water

소리는 고체에서 이동하는 방식과는 다른 방식으로 물을 통해 전달됩니다. 물과 같은 액체에서 물질은 압축되는 것에는 저항하지만, 옆으로 밀리거나 미끄러지는 전단(shear) 현상에는 거의 저항하지 않고 쉽게 흐릅니다. 반면 금속과 같은 고체에서는 물질이 두 가지 모두에 저항합니다. 수십 년 동안 과학자들은 액체의 거동을 모방하면서도 고체 재료로 만들어진 인공 구조물을 구축하기 위해 노력해 왔습니다. 메타물질이라고 알려진 이 구조물들은 자연계에는 존재하지 않는 특성을 부여하기 위해 아주 작고 반복적인 패턴으로 설계되었습니다. 그 목표는 오랫동안 소리 파동이 통과할 때 마치 물처럼 행동하는 고체를 만드는 것이었습니다. 즉, 형태를 유지할 만큼 충분히 단단하면서도 소리가 액체처럼 흐를 수 있도록 충분히 부드러운 재료를 만드는 것입니다. 이는 소리를 제어하는 것이 통신과 항해에 필수적인 수중 기술 분야에서 특히 중요합니다.

문제는 물리적 모순에 있습니다. 물처럼 행동하려면 물질은 압축하기 매우 어려워야 하지만(높은 체적 탄성률), 미끄러지기는 매우 쉬워야 합니다(낮은 전단 탄성률). 물을 모방하려는 기존의 대부분의 고체 설계는 너무 부드러워 쓸모가 없거나, 혹은 너무 딱딱해서 소리가 제대로 통과하지 못하기 때문에 실패했습니다. 이들은 종종 실제 물의 음향적 특성에 상당한 차이를 보이며, 실물을 대체하기에는 부족한 모습을 보였습니다. 연구자들은 이러한 균형을 해결할 수 있는 미세한 구성 요소의 기하학적 형상을 찾기 위해 수년간 이 문제에 매달려 왔습니다.

밀라노 폴리테크니코(Politecnico di Milano)의 연구팀은 이제 자신들이 "3D 금속 물(3D metal water)"이라는 이름을 온전히 누릴 자격이 있는 최초의 메타물질이라고 설명하는 해결책을 제안했습니다. 그들은 저주파 영역에서 물과 구별할 수 없을 정도로 음향적으로 행동하는 금속으로 된 3차원 구조를 설계했습니다. 성공의 핵심은 이 재료를 만드는 데 사용되었던 형상들이 근본적으로 한계가 있다는 점을 깨달은 데 있었습니다. 수년 동안 표준적인 설계는 두 개의 원뿔이 좁은 끝부분에서 만나는 형태인 쌍원뿔(double cones) 모양의 연결부에 의존해 왔습니다. 이러한 형상은 2차원 모델에서는 잘 작동했지만, 연구진은 3차원에서는 재료가 너무 무거워지거나 너무 경직되지 않으면서 필요한 강성을 달ach할 수 없다는 것을 발견했습니다. 재료를 유연하게 만들기 위해 필요한 얇은 끝부분은 압축에 저항하는 힘을 너무 약하게 만들어, 물의 밀도와 음속을 맞추는 것을 방해했습니다.

이를 극복하기 위해 연구팀은 쌍원뿔 형상을 버리고 다른 종류의 기계적 거동, 즉 로프가 작동하는 방식에 주목했습니다. 그들은 구조물의 연결 링크가 단일한 고체 막대가 아니라, 많은 가늘고 평행한 섬유들의 다발이어야 한다는 새로운 설계를 제 제안했습니다. 로프에서 개별 섬유들은 로프가 구부러질 때 서로 미끄러질 수 있어 전체 다발을 굽힘 힘에 매우 유연하게 만듭니다. 그러나 로프를 똑바로 잡아당길 때는 모든 섬유가 함께 작용하여 당기는 힘에 저항하므로 매우 강력해집니다. 이 원리를 금속 격자에 적용함으로써, 연구진은 압축에는 믿기 힘들 정도로 단단하면서도 옆으로 미끄러지는 데에는 거의 완전히 자유로운 연결 링크를 만들어냈습니다. 이 특정 조합은 물과 일치하는 데 필요한 높은 압축 저항을 유지하면서도, 미끄러짐에 대한 저항을 매우 낮게 유지하여 재료가 유체처럼 행동하게 합니다.

연구진은 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 이 새로운 설계를 테스트했으며, 이를 통해 이전의 시도들보다 체적 탄성률을 2단계(two orders of magnitude) 더 높게 달성하여 마침내 저주파 영역에서 실제 물의 수준에 도달할 수 있음을 확인했습니다. 또한 그들은 이 구조가 특정 유형의 진동을 처리하는 방식에서 특정한 간극(gap)을 만들어내어, 압력파는 통과시키면서 전단파는 효과적으로 차단한다는 것을 발견했습니다. 이는 소리가 일반적인 고체에서 발생하는 원치 않는 왜곡 없이, 그들의 금속 구조를 통해 물에서와 똑같이 전달된다는 것을 의미합니다. 현재 이 설계는 이론적 모델이자 컴퓨터 시뮬레이션 단계이지만, 결과는 고체가 진정으로 액체처럼 행동하는 것이 가능하다는 것을 시사합니다. 이 돌파구는 렌즈나 클로킹 장치와 같이 소리 파동을 3차원에서 이전에는 불가능했던 정밀도로 조작할 수 있는 첨단 음향 장치의 탄생을 향한 문을 열어줍니다.