천연 목재와 금속은 수천 년 동안 인류에게 필수적인 건축 자재였습니다. 우리가 플라스틱이라고 부르는 합성 고분자는 20세기에 들어서면서 급속도로 발전한 비교적 최근의 발명품입니다.
금속과 플라스틱은 모두 산업 및 상업용으로 적합한 특성을 가지고 있습니다. 금속은 강하고 단단하며 일반적으로 공기, 물, 열, 지속적인 스트레스에 강합니다. 하지만 금속 제품을 생산하고 정제하는 데 더 많은 자원이 필요하므로 가격이 더 비쌉니다. 플라스틱은 금속의 일부 기능을 제공하면서도 질량이 적고 생산 비용이 매우 저렴합니다. 또한 거의 모든 용도에 맞게 특성을 맞춤화할 수 있습니다. 그러나 저렴한 상업용 플라스틱은 구조 재료로 사용하기에 적합하지 않습니다. 플라스틱 가전제품은 좋지 않고, 누구도 플라스틱 집에 살고 싶어하지 않습니다. 게다가 플라스틱은 종종 화석 연료에서 정제됩니다.
일부 용도에서는 천연 목재가 금속이나 플라스틱과 경쟁할 수 있습니다. 대부분의 가정집은 목재 골조로 지어집니다. 하지만 문제는 천연 목재가 너무 부드럽고 물에 쉽게 손상되어 플라스틱이나 금속을 완전히 대체하기 어렵다는 점입니다. 최근 학술지 'Matter'에 발표된 한 논문에서는 이러한 한계를 극복하는 경화 목재 소재 개발에 대해 연구했습니다. 이 연구는 나무 칼과 못의 제작으로 이어졌습니다. 과연 이 나무 칼은 얼마나 좋을까요? 그리고 여러분은 곧 사용해 보실 생각이 있으신가요?
목재의 섬유 구조는 이론적으로 우수한 강도를 지닌 천연 고분자인 셀룰로오스가 약 50%를 차지합니다. 나머지 절반은 주로 리그닌과 헤미셀룰로오스로 구성됩니다. 셀룰로오스는 길고 질긴 섬유를 형성하여 목재의 자연적인 강도를 뒷받침하는 골격을 이루는 반면, 헤미셀룰로오스는 응집력이 약한 구조를 가지고 있어 목재의 강도에 기여하지 않습니다. 리그닌은 셀룰로오스 섬유 사이의 빈 공간을 채우고 목재에 유익한 역할을 합니다. 그러나 목재를 압축하고 셀룰로오스 섬유를 더욱 단단하게 결합시키려는 인간의 목적에는 리그닌이 오히려 걸림돌이 되었습니다.
본 연구에서는 천연 목재를 4단계 공정을 거쳐 경화목(HW)으로 제조했습니다. 첫째, 목재를 수산화나트륨과 황산나트륨 용액에 끓여 헤미셀룰로오스와 리그닌 일부를 제거했습니다. 이 화학 처리 후, 목재를 상온에서 수 시간 동안 압착하여 밀도를 높였습니다. 이 과정을 통해 목재의 자연적인 기공이 줄어들고 인접한 셀룰로오스 섬유 간의 화학적 결합이 강화됩니다. 다음으로, 목재를 105°C(221°F)에서 수 시간 더 가압하여 밀도를 완전히 높인 후 건조했습니다. 마지막으로, 목재를 48시간 동안 광물유에 담가 방수 처리를 했습니다.
구조 재료의 기계적 특성 중 하나는 압입 경도인데, 이는 힘을 가해 눌렀을 때 변형에 저항하는 능력을 나타내는 척도입니다. 다이아몬드는 강철, 금, 나무, 포장용 스티로폼보다 단단합니다. 보석학에서 사용되는 모스 경도와 같이 경도를 측정하는 데 사용되는 여러 공학적 시험 중 하나가 브리넬 경도 시험입니다. 브리넬 경도 시험의 원리는 간단합니다. 단단한 금속 구슬을 특정 힘으로 시험 표면에 눌러 넣습니다. 구슬이 만든 원형 압흔의 지름을 측정합니다. 브리넬 경도 값은 수학 공식을 사용하여 계산됩니다. 대략적으로 말하면, 구슬이 만든 구멍이 클수록 재료가 더 부드럽습니다. 이 시험에서 HW는 천연 나무보다 23배 더 단단합니다.
대부분의 가공되지 않은 천연 목재는 물을 흡수합니다. 이로 인해 목재가 팽창하고 결국 구조적 특성이 손상될 수 있습니다. 연구진은 목재의 내수성을 높이기 위해 이틀 동안 미네랄 용액에 담가 두어 소수성(물을 싫어하는 성질)을 부여했습니다. 소수성 테스트는 표면에 물방울을 떨어뜨리는 방식으로 진행됩니다. 표면이 소수성일수록 물방울은 더 구형에 가깝게 됩니다. 반면 친수성(물을 좋아하는 성질) 표면은 물방울을 평평하게 퍼뜨려 물을 더 쉽게 흡수합니다. 따라서 미네랄 용액에 담그는 것은 목재의 소수성을 크게 향상시킬 뿐만 아니라 목재의 수분 흡수를 방지합니다.
일부 공학 테스트에서 HW 나이프는 금속 나이프보다 약간 더 나은 성능을 보였습니다. 연구진은 HW 나이프가 시중에서 판매되는 칼보다 약 3배 더 날카롭다고 주장합니다. 그러나 이 흥미로운 결과에는 한 가지 주의할 점이 있습니다. 연구진은 식탁용 칼, 즉 우리가 흔히 버터 나이프라고 부르는 칼을 비교했습니다. 이러한 칼은 특별히 날카로울 필요는 없습니다. 연구진은 HW 나이프로 스테이크를 자르는 영상을 보여주지만, 힘이 센 성인이라면 금속 포크의 무딘 면으로도 같은 스테이크를 자를 수 있을 것이며, 스테이크 나이프가 훨씬 더 효과적일 것입니다.
못은 어떨까요? HW 못 하나는 세 개의 판자를 겹쳐 박는 데 쉽게 박을 수 있지만, 철 못에 비해 상대적으로 쉽다는 점에서 자세한 설명은 생략하겠습니다. 나무못은 판자들을 서로 고정시켜 찢어질 듯한 힘에도 견딜 수 있으며, 철못과 거의 같은 강도를 보입니다. 하지만 실험 결과, 두 경우 모두 못이 부러지기 전에 판자가 먼저 파손되었기 때문에 더 강한 못의 성능은 드러나지 않았습니다.
HW 못은 다른 면에서 더 나은가요? 나무못은 더 가볍지만, 구조물의 무게는 주로 구조물을 고정하는 못의 무게에 의해 결정되는 것은 아닙니다. 나무못은 녹슬지 않습니다. 하지만 물에 완전히 방수되거나 생분해되지 않는 것은 아닙니다.
저자가 천연 목재보다 더 강한 목재를 만드는 공정을 개발했다는 점에는 의심의 여지가 없습니다. 그러나 특정 작업에 있어 이러한 하드웨어의 유용성은 추가적인 연구가 필요합니다. 플라스틱처럼 저렴하고 자원 소모가 적을까요? 더 강하고 매력적이며 무한히 재사용 가능한 금속 제품과 경쟁할 수 있을까요? 그들의 연구는 흥미로운 질문들을 제기합니다. 지속적인 엔지니어링(그리고 궁극적으로 시장)이 이러한 질문들에 대한 답을 제시할 것입니다.
게시 시간: 2022년 4월 13일
