-이 기사는 진로진학 매거진 <나침반 36.5도> 10월호에 실린 내용입니다.
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자동차에서 안전을 책임지는 가장 중요한 부분은 무엇일까? 바로 ‘타이어’다. 전문가들은 타이어가 자동차 안전에서 차지하는 비중이 최소 30% 이상일 것이라고 입을 모으고 있다. 타이어 손상이 심각하면 눈길이나 빗길을 운전할 때 쉽게 미끄러질 뿐만 아니라 갑작스러운 펑크로 돌발적인 사고가 발생할 수 있기 때문이다. 이처럼 차량에서 유일하게 지표면과 접촉하는 타이어는 마모 속도도 빨라 반드시 주기적으로 점검하고 교체해야 한다. 그런데 교체하지 않고 지구를 500바퀴나 돌 수 있는 타이어가 있다면 어떨까?

세상에서 가장 강한 타이어가 나타났다!

▲ 백금-금 합금 소재를 테스트 중인 산디아 연구소의 과학자들 [사진 출처=newatlas.com]

지구를 500바퀴나 돌 수 있는 타이어. 아마 일반적인 사람들은 이 타이어를 사용한다면 평생 한 번도 타이어 교체를 하지 않아도 될 것이다. 그런데 이런 타이어가 실제로 미국의 과학자들에 의해 세상에 태어났다.

미 국립 산디아 연구소(Sandia National Laboratories)의 과학자들은 ‘세상에서 가장 내구성이 뛰어난 합금’을 개발하는데 성공했다.

이들이 개발한 합금으로 타이어를 만들 경우, 1마일, 즉 1.6km를 주행해도 타이어 표면의 원자 한 층밖에 벗겨지지 않는다. 이 타이어가 완전히 마모되어 교체하려면 지구를 무려 500바퀴나 돌아야 한다.

극강의 내구성, 정체를 밝혀라
하지만 뛰어난 내구성에도 불구하고 이 소재가 상용화되기는 어려울 것으로 보인다. 가격이 엄청나게 높기 때문이다. 이 소재는 바로 ‘백금-금 합금’이다. 90%의 백금과 10%의 금으로 만들어진 합금으로, 산디아 국립 연구소에서 해당 연구의 리더를 맡았던 존 커리 박사는 저널 '어드밴스드 메터리얼스'(Advanced Materials)와 '카본'(Carbon)을 통해 “이 합금 소재가 현재까지 알려진 어떤 철 합금보다 100배나 마모에 강하고, 기계적 성질과 열에 견디는 성질 역시 우수하다”고 발표했다.
 

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백금은 금보다 더 매장량이 적은 귀금속으로, 산업 분야에서는 주로 ‘촉매’로 사용한다. 흥미롭게도 연구팀은 본래 다른 용도로 백금 합금을 연구하다가 우연히 이 같은 연구결과를 얻은 것으로 알려졌다. 가격이 비싼 소재이기 때문에 일반적인 용도로 사용하기는 어렵지만, 극도의 내구성이 필요한 특수 부품 제작에 유용하게 사용할 수 있을 것으로 기대된다.

강하고 부드러운 성질은 ‘탄소층’ 때문!
사실 백금-금 합금이 주목을 받는 이유는 또 있다. 보통은 내마모성이 뛰어난 소재라고 하면 매우 단단한 이미지를 떠올리기 쉽지만, 이 합금은 내마모성이 매우 뛰어남에도 불구하고 그렇게 단단하지 않다.

연구팀은 이 합금의 탁월한 내마모성이 과연 무엇 때문인지 밝혀내기 위한 연구를 진행했다. 그 결과 이 합금이 가진 내마모성은 단순한 합금 이외 또 다른 작용에 의한 성질이라는 점을 발견했다. 연구팀은 이 합금을 테스트하는 도중 합금 표면에 얇은 탄소층이 생성되는 것을 확인했는데, 이 탄소층이 마치 ‘다이아몬드’와 같은 성질을 지닌다는 것이다. 따라서 이 합금은 내구성이 매우 높고 열에도 강한 성질을 가진다.
 

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백금 촉매 작용이 ‘다이아몬드’를 만든다!
연구팀은 본래 다른 용도의 백금 합금을 연구하다가 의도치 않게 이 합금을 발견했다. 백금이 상온에서 촉매 작용을 통해 비교적 쉽게 다이아몬드와 같은 탄소 소재가 형성된 것이다. 물론 이전에도 백금의 촉매 작용 없이 가볍고 단단한 탄소 소재를 제조할 수 있었지만, 매우 높은 열과 압력이 필요해 제조비용이 매우 높았다.

그러나 이 합금 표면에 생성된 탄소층은 백금의 촉매 작용으로 주변 환경에서 나온 탄소를 포함한 물질이 표면에서 변형된 것으로, 가볍고 튼튼한 부품 소재로 사용될 수 있어 앞으로 또 다른 응용도 가능할 것으로 보인다.

정보 플러스+ 화성 탐사 로봇은 어떤 바퀴를 가지고 있을까?

▲ 미항공우주국(NASA)에서 개발한 초탄성 타이어 [사진 출처=NASA] 아스팔트로 잘 포장된 도로와 달리, 달이나 화성의 표면은 매우 울퉁불퉁하고 거칠다. 따라서 일반적인 타이어로 탐사 로봇을 만든다면 얼마 가지 못해 타이어가 터져버리는 사고를 피할 수 없다. 그렇다면 탐사 로봇의 타이어는 어떤 소재로 만들어졌을까? 현재까지 탐사 로봇의 타이어는 초강력 알루미늄을 소재로 만들어졌다. 따라서 일반적인 타이어보다 매우 견고하지만 거친 행성 표면에 의한 타이어 손상을 막는 것은 한계가 있어, 펑크가 날 가능성이 있을 수밖에 없었다. 그런데 최근, 미 항공우주국(NASA)은 공기를 주입하지 않으며, 울퉁불퉁한 지면에 따라 타이어의 모양이 변형됐다가 곧바로 원형을 회복할 수 있는 형상기억합금으로 만들어진 ‘초탄성 타이어’ 개발에 성공했다. 초탄성 타이어는 거친 지면을 마치 평지를 달리듯이 운행할 수 있다. 또한, 삐죽 튀어나온 돌이나 어떤 돌출부를 만나더라도 일시적으로 변형된 형태에 반응하고, 곧바로 손상 없이 원래 상태로 회복할 수 있는 장점을 가지고 있다. 공기를 주입하지도 않기 때문에 펑크 가능성도 사라졌다. 게다가 타이어가 가벼워 차체를 더욱 가볍게 제작할 수 있으며, 주행 중에는 차량에 전달되는 충격도 현저히 줄일 수 있다. 초탄성 타이어는 앞으로 비행기, 군용차, 각종 중장비, 농업용 특수차 등 일반적으로 사용되는 지상의 차량에도 차츰 도입될 전망이다.

▲ '나침반 36.5도' 10월호 p.96 '교체 없이 지구 500바퀴 돌 수 있는 타이어의 정체는?'

*사진 출처=클립아트코리아
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에듀진 기사 원문: http://www.edujin.co.kr/news/articleView.html?idxno=20355