평범한 사무용 스테이플러 심을 한 움큼 쥐고 당겨보라. 꼼짝도 하지 않을 것이다. 강철처럼 단단하고 고집스러워 당신이 가하는 어떤 뉴턴의 힘에도 저항한다. 하지만 적절한 방식—특정하게 조정된 진동—으로 흔들어주면, 전체 구조가 무너지며 은색 물줄기처럼 손가락 사이로 흘러내린다. 이는 마술도, 화학 반응도 아니다. 이것은 건물, 로봇, 교량이 명령에 따라 벽돌이 될지 액체가 될지 결정할 수 있는 미래를 보여주는 단면이다.
전통적인 재료들은 지루할 정도로 예측 가능하다. 모래 더미를 보면, 입자들은 볼록한 형태를 띤다. 즉, 매끄럽고 둥글며 본질적으로 이기적이다. 모래 알갱이 하나는 옆 알갱이가 무엇을 하든 신경 쓰지 않으며, 그저 서로 미끄러져 지나갈 뿐이다. 건조한 모래로 수직 벽을 쌓을 수 없는 이유가 바로 여기에 있다. 모래에는 "인장 강도"가 없어 당길 때 스스로를 지탱하지 못한다. 작은 부품으로 견고한 구조물을 만들려면 보통 모래성에 물을 섞거나 콘크리트에 시멘트를 넣는 것과 같은 "접착제"를 사용해야 한다. 하지만 Barthelat Lab 연구팀은 접착제를 완전히 배제하고자 했다.
볼록한 알갱이의 종말
이 스테이플러 심 모양의 입자들을 쌓아두면, 그냥 가만히 있지 않는다. 서로 엮인다. 새 둥지의 나뭇가지나 울 스웨터의 섬유처럼, 한 입자의 다리가 다른 입자의 몸체를 낚아챈다. 이것은 부분의 합보다 큰 집단적 강도를 만들어낸다. "집어 올리기 테스트"에서 연구원들은 엉킨 스테이플러 심 덩어리가 하나의 단단한 단위로 들어 올려질 수 있음을 발견했다. 물리적 기하학 구조가 입자들의 미끄러짐을 방지하기 때문에 고체처럼 행동하는 것이다. 본질적으로 화학적 결합이 아닌 기계적 "결합"으로 이루어진 재료를 만드는 셈이다.
이는 드문 물리적 역설을 만들어낸다. 바로 강하면서도 질긴 재료이다. 재료 과학에서 이 두 용어는 종종 상충한다. 세라믹 접시는 강하지만(많은 무게를 견딜 수 있음) 질기지는 않다(망치로 치면 깨진다). 고무 밴드는 질기지만(에너지를 흡수하고 늘어남) 강하지는 않다. 이 얽힌 스테이플러 심들은 어떻게든 두 가지 모두를 해낸다. 금속처럼 완고하게 당겨지는 것에 저항하면서도, 서로 약간씩 밀리고 미끄러질 수 있기 때문에 깨지지 않고 충격을 흡수한다. 엔지니어들을 열광하게 만드는 기계적 특성이다.
교량을 어떻게 액체로 바꿀 것인가?
CU Boulder 연구의 진짜 천재성은 스테이플러 심이 서로 달라붙는다는 점뿐만 아니라, 언제 놓아줘야 하는지를 안다는 데 있다. 이것이 NASA부터 국방부에 이르기까지 모두의 관심을 끄는 "액체 금속"의 측면이다. 특정 진동 패턴을 적용함으로써 연구원들은 재료의 고체성을 효과적으로 "끌 수" 있다. 부드러운 진동은 입자들이 제자리를 찾아 더 단단히 맞물리도록 도와 구조를 더 강하게 만든다. 하지만 "해제" 주파수를 가하면 입자들은 기계적 포옹에서 벗어나 흔들린다. "고체" 덩어리는 갑자기 액체화되어 스테이플러 심을 새로운 틀에 붓거나 완전히 치워버릴 수 있게 된다.
이는 건설의 미래에 대해 흥미로운 질문들을 던진다. 재난 지역에 임시 교량을 설치한다고 상상해보라. 거대한 크레인과 영구적인 볼트가 필요한 무거운 강철 빔 대신, 이 맞물리는 입자들의 "슬러리"를 틀에 붓고 단단히 고정될 때까지 진동을 가한 뒤 그 위를 걸어갈 수 있다. 작업이 끝나면 흔들기 버튼을 눌러 교량을 다시 스테이플러 심 더미로 녹이고, 트럭에 실어 다음 현장에서 다시 사용할 수 있다. 이것이야말로 궁극의 재활용 가능한 인프라이다.
하지만 단점이 있다. 기계적 얽힘을 대규모로 사용하는 것은 현재 비용이 많이 들고 완벽하게 시뮬레이션하기가 매우 어렵다. 컴퓨터 모델은 스테이플러 심 수천 개가 어떻게 행동할지는 예측할 수 있지만, 이동하는 트럭의 무게 아래서 수십억 개의 입자가 어떻게 반응할지 예측하는 것은 완전히 다른 차원의 문제다. "피로" 문제도 있다. 만약 재료가 작은 금속 다리들이 서로 걸리는 것에 의존한다면, 천 번째 "녹이기" 주기 후에 그 다리들이 휘어지거나 부러지기 시작하면 어떻게 될까? 연구팀은 이미 반려견의 털에 달라붙는 가시가 많은 도깨비바늘과 유사하게, 더 많은 다리를 가진 입자를 포함한 고급 설계를 검토하여 더 영구적이고 안전한 잠금장치를 만들려 하고 있다.
자연의 복잡한 규칙이 다시 쓰이고 있다
CU Boulder의 스테이플러 심은 물리학의 더 넓고 기묘한 흐름의 일부이다. 우리가 학교에서 배운 단순한 "고체, 액체, 기체" 도표가 사실은 대부분 거짓이라는 것을 깨닫고 있다. Barthelat은 거시적인 규모의 스테이플러 심을 가지고 실험하고 있지만, 다른 물리학자들은 원자 수준에서 동일한 "이상한" 행동을 발견하고 있다. 손안에서 녹는 금속으로 유명한 갈륨에 대한 최근 연구에 따르면, 그 액체 상태는 우리가 짐작했던 것보다 훨씬 더 구조화되어 있고 "고체와 유사"하다는 사실이 밝혀졌다. 갈륨은 단순히 무작위적인 원자 수프가 되는 것이 아니라, 흐르는 동안에도 결정 구조의 잔영을 유지한다.
더 깊이 들어가면, 그래핀과 초유체를 연구하는 연구자들은 "양자 핀볼" 상태를 관찰했다. 이러한 시스템에서 전자들은 고체처럼 보이지만 액체처럼 행동하거나, 그 반대로 행동하는 패턴으로 "얼어붙게" 만들 수 있다. 우리는 재료의 "상(phase)"이 더 이상 고정된 정체성이 아니라 일시적인 기분인 시대로 접어들고 있다. 사무용 스테이플러 심 한 뭉치든 원자 시트든 규칙은 동일하다. 기하학적 구조와 에너지를 제어할 수 있다면, 물질을 원하는 대로 다룰 수 있다.
이것은 다시 T-1000 이야기로 돌아오게 한다. 당신의 새엄마를 흉내 낼 수 있는 형태 변환 암살자를 만들 단계는 아니지만, CU Boulder 팀은 즉각적인 미래가 군집 로봇 공학에 있다고 믿는다. 토스터보다 똑똑하지 않은 작은 로봇 수천 대가 서로 연결되어 렌치나 사다리 같은 고체 도구를 형성한다고 상상해보라. 작업이 끝나면 그들은 엉킴을 풀고 작은 상자에 담겨 보관된다. 이것은 "딱딱한" 로봇 공학에서 환경에 적응할 수 있는 "소프트" 시스템으로의 전환이다.
변신하는 물질의 대가
그렇다면 왜 이것이 아직 우리 가정에 보급되지 않았을까? 장벽은 언제나 그렇듯 물리적 세계의 복잡한 현실이다. 재료가 진정으로 유용하려면 신뢰할 수 있어야 한다. 이 스테이플러 심으로 의자를 만든다면, 지나가는 무거운 트럭이나 큰 베이스 스피커가 "녹는 주파수"를 건드려 당신을 바닥의 금속 더미 위에 앉게 만들지 않을 것이라는 100% 확신이 필요하다. 우발적으로 작동하지 않도록 "끄기 스위치"를 특정하게 설계하는 것이 다음의 큰 과제이다.
또한 규제상의 악몽도 기다리고 있다. 현재의 건물 및 기계 안전 표준은 고체는 고체 상태를 유지한다는 전제하에 만들어졌다. 무너지도록 설계된 교량을 어떻게 인증할 것인가? 이론적으로 배수구에 흘려보낼 수 있는 구조물에 대한 건축 법규를 어떻게 작성할 것인가? 이것들이 바로 최첨단 물리학과 구시대적 관료주의가 만나는 마찰 지점들이다.
이러한 장애물에도 불구하고, 그 기세는 부인할 수 없다. 우리는 정적인 블록으로 사물을 만드는 세계에서, 재료가 그 기능에 스스로 능동적으로 참여하는 세계로 나아가고 있다. 몇 장의 종이를 묶는 데 사용하는 평범한 사무용 스테이플러 심은 의도치 않게 우리에게 더 유연한 미래를 위한 청사진을 보여주었다. 세상을 바꾸고 싶다면 반드시 새로운 원소나 혁신적인 화학 물질이 필요한 것이 아니라, 그저 사물을 더 잘 엉키게 할 방법만 있으면 된다는 사실이 밝혀진 것이다.
다음번에 스테이플러 심 한 상자를 바닥에 떨어뜨리고 10분 동안 엉킨 것을 풀려고 애쓰게 된다면, 화내지 마라. 당신은 엉망인 상태를 보는 것이 아니다. 당신은 우리가 상상한 것 중 가장 강하고, 질기며, 적응력이 뛰어난 건축 자재를 보고 있는 것이다. 아직 그것이 제대로 작동하게 만들 주파수를 찾지 못했을 뿐이다.
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