자기를 디자인하다

2015년 3월 24일

캠브리지 대학교

자가 수리가 가능한 도로, 응급처치 거품이 가득한 다리, 동맥이 있는 건물… 미래 지향적인 환상이 아니라 '스마트' 콘크리트를 이용한 매우 현실적인 가능성입니다.

피부는 재생 가능하고 스스로 회복됩니다. 일상 생활의 마모에 대한 우리의 첫 번째 방어선입니다. 손상되면 신체를 보호하고 치유하기 위해 수많은 수리 과정이 시작됩니다. 응고 인자가 상처를 봉쇄하고 딱지가 형성되어 감염으로부터 상처를 보호하며 치유제가 새로운 조직을 생성하기 시작합니다.

이 놀라운 생활 건강 관리 패키지에서 영감을 얻은 연구원들은 손상 감지 및 수리가 완전히 다른 재료인 콘크리트로 설계될 수 있는지 묻고 있습니다.

그들의 목표는 모든 종류의 물리적, 화학적 손상에 대해 반복적으로 자가 복구를 통해 대응하는 응급처치 시스템을 갖춘 '생명 소재'를 생산하는 것입니다.

자가치유 소재는 2013년 세계경제포럼(World Economic Forum)이 선정한 10대 신흥 기술 중 하나로 선정되었으며, 안전과 수명 측면에서 이점을 제공하는 항공우주 산업에서 활발히 연구되고 있습니다. 그러나 아마도 자가 치유가 가장 광범위한 영향을 미칠 수 있는 분야 중 하나는 콘크리트 기반 건설 산업일 것입니다.

콘크리트는 건물, 교량, 고속도로, 저수지 댐 등 어디에서나 볼 수 있습니다. 기초, 터널, 지하 핵폐기물 시설, 유정, 가스정 등 눈에 보이지 않는 곳에도 있습니다. 콘크리트는 물 다음으로 지구상에서 두 번째로 많이 소비되는 제품입니다. 톤당 연간 철강, 알루미늄, 플라스틱, 목재를 합친 양의 두 배에 달하는 양이 사용됩니다.

그러나 대부분의 경우와 마찬가지로 콘크리트의 수명은 유한합니다. "전통적으로 토목 공학에서는 다양한 불리한 상황에도 불구하고 구조물이 안전한지 확인하기 위해 설계 중복성을 내장해 왔습니다. 그러나 장기적으로 보면 수리 및 최종 교체가 불가피합니다."라고 Abir Al-Tabbaa 교수는 말했습니다. 공학부이자 연구 프로젝트의 캠브리지 구성 요소를 주도합니다.

영국은 주로 콘크리트 구조물을 중심으로 기존 구조물의 수리 및 유지 관리에 연간 약 400억 파운드를 지출합니다. 그러나 콘크리트 구조물을 수리하고 교체하는 것은 혼란을 야기하고 시멘트 제조로 인해 발생하는 이미 높은 수준의 이산화탄소 배출에 기여합니다. 모든 신규 콘크리트 구조물과 수리된 콘크리트 구조물, 그리고 실제로 그라우트와 모르타르를 포함한 모든 시멘트 기반 자재의 수명이 자가 치유를 통해 평균 수십 년에서 두 배 이상으로 연장될 수 있다면 어떨까요?

2013년 케임브리지의 연구원들은 카디프 대학(프로젝트를 주도) 및 바스 대학의 동료들과 협력하여 차세대 '스마트' 콘크리트 및 기타 시멘트 기반 건축 자재를 개발했습니다.

Al-Tabbaa는 "이 분야의 이전 시도는 피해의 다중 규모, 공간적, 시간적 특성에 대한 부분적인 솔루션만 제공하는 개별 기술에 중점을 두었습니다."라고 설명했습니다. 대조적으로, 공학 및 물리 과학 연구 위원회의 자금 지원을 받은 이 연구는 동일한 콘크리트 조각에 여러 '의료 패키지'를 결합하는 것의 이점을 살펴볼 수 있는 흥미로운 기회를 제공합니다.

"피부에서 발생하는 많은 과정과 마찬가지로 기술의 조합은 다양한 규모의 손상으로부터 콘크리트를 보호할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 또한 시간이 지남에 따라 치유제를 '재입고'할 수 있는 방식으로 이를 수행할 수 있습니다." 추가되었습니다.

기계적 손상으로 인해 균열이 발생하여 물이 스며들 수 있습니다. 동결 및 해동으로 인해 균열이 더 넓어질 수 있습니다. 콘크리트의 칼슘이 물로 손실되면 석회질이 제거된 부분이 부서지기 쉽습니다. 그리고 물이 강화 강철 막대에 도달할 수 있을 만큼 균열이 깊어지면 부식과 붕괴로 인해 구조물이 종말을 맞이하게 됩니다.

케임브리지 팀은 미네랄 기반 치유제를 함유한 혁신적인 마이크로캡슐을 개발하여 나노/마이크로 규모의 손상을 해결하고 있습니다. 이는 마치 거품 속에 구급 상자가 들어 있는 것과 같습니다. 물리적 및 화학적 유발 요인으로 인해 캡슐이 부서져 열리면서 치유 및 밀봉제가 방출되어 병변을 치료하게 된다는 개념입니다.