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물·바람 피할 '메타물질' 설계···"재난방지 구조물 응용"

메타물질? 자연계 없는 특성 만드는 반복 패턴 구조물
단국대·서울대팀, 메타물질로 저항 '0' 가상 공간 구현
흐르는 물이나 바람으로부터 숨을 수 있는 구조가 제시됐다.

한국연구재단(이사장 노정혜)은 송영석 단국대 교수팀과 윤재륜 서울대 교수팀이 사물을 은폐하고 항력을 제거할 수 있는 새로운 개념의 유체역학적 메타물질을 개발했다고 18일 밝혔다.

메타물질은 자연계에 없는 물질의 특성을 만드는 인위적이고 반복적인 패턴 구조를 말한다. 연구팀은 고요한 태풍의 눈처럼 공기나 물의 흐름에 의한 저항을 줄인 유동학적 은폐 공간을 제안했다. 연구팀이 설계한 메타물질을 응용하면 운송수단이 고속으로 달릴 수 있고, 바람이나 파도가 건물을 피해갈 수도 있다.

연구팀은 이처럼 유체 흐름이 완전히 배제된 공간을 가상으로 구현했다. 물체 주변을 흐르는 유체의 점도(viscosity) 분포가 변형된 은폐 공간이다. 이곳에 놓인 물체는 저항을 받지 않는다. 기존에도 물이나 공기를 지나는 물체의 저항력을 줄이려는 시도가 있었으나, 실험적으로 항력이 '0'이 되는 공간을 만든 것은 이번이 처음이다. 

연구팀이 설계한 메타물질은 마이크로 미터(μm) 수준부터 거대 건축물까지 크기에 제한을 받지 않는다. 공간별로 점도를 자유롭게 제어할 수 있는 단위셀(~200 μm)을 이용한 마이크로유체시스템에서 검증한 결과, 2차원 유체 흐름 하에서 일반 점성유체와 비슷한 크기의 항력(110uN)이 5배 이하로 나타났다. 

유변 메타 개념도. (가) 위에서 아래로 유체가 흐른다. (나) 유체 내에 장애물이 있을 때 유동이 흐트러진다. (다) 유변 메타물질을 구현했다. 장애물 이후의 유동은 장애물이 없는 경우(가)와 동일하고 장애물이 받는 항력이 사라진다. 장애물은 유동학적으로 은폐된다. (라) 장애물을 제거하면 유동학적으로 은폐된 공간을 만들 수 있다. <그림=연구재단 제공>유변 메타 개념도. (가) 위에서 아래로 유체가 흐른다. (나) 유체 내에 장애물이 있을 때 유동이 흐트러진다. (다) 유변 메타물질을 구현했다. 장애물 이후의 유동은 장애물이 없는 경우(가)와 동일하고 장애물이 받는 항력이 사라진다. 장애물은 유동학적으로 은폐된다. (라) 장애물을 제거하면 유동학적으로 은폐된 공간을 만들 수 있다. <그림=연구재단 제공>

송영석 교수는 "유동제어 분야에서 도전적이고 독창적인 전략이자 재료설계의 새로운 패러다임을 제시했다"며 "높은 연료 효율을 달성하고 자연재해에서 우회하는 재난방지 구조물을 연구할 계획"이라고 말했다.

연구 결과는 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters) 8월 13일 자에 실렸다. 논문명은 'Hydrodynamic Metamaterial Cloak for Drag-Free Flow'다.
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