우리는 남은 음식을 감쌀 수 있는 금속 합금 메뉴, 상상할 수 있는 모든 색상의 페인트, 끊임없이 변화하는 디지털 디스플레이 등 독창적인 물질로 둘러싸여 있다. 사실상 이들 모두는 기본 재료의 자연적 특성을 활용한다.

그러나 새로운 종류의 재료는 더욱 다재다능하고 프로그래밍이 가능하다.

메타물질로 알려진 이러한 물질은 구성이 아닌 구조적 구성에 따라 특성이 결정되도록 세심하게 설계되었다. 일부 메타물질은 장거리 무선 전력 전송을 실용화할 수 있고, 다른 물질은 "투명 망토" 또는 뇌파에 반응하는 미래형 물질을 가져올 수 있다.

그러나 대부분의 사례는 고체 메타물질이다. 하버드 팀은 메타유체를 만들 수 있는지 궁금해했다. 결과적으로 그렇다. 물론 그렇다. 팀은 최근 네이쳐에 결과를 발표했다.

"고체 메타물질과 달리 메타유체는 용기의 모양에 따라 흐르고 적응할 수 있는 독특한 능력을 가지고 있다."라고 하버드 응용 역학 교수이자 논문의 수석 저자인 카티아 베르톨디(Katia Bertoldi)가 보도 자료에서 말했다. "우리의 목표는 이러한 놀라운 특성을 가질 뿐만 아니라 프로그래밍 가능한 점도, 압축성 및 광학 특성을 위한 플랫폼을 제공하는 메타유체를 만드는 것이었다."

팀의 메타유체는 기름에 떠 있는 수십만 개의 작고 신축성 있는 구체(각각 직경이 50~500미크론)로 구성된다. 구체는 주변 오일의 압력에 따라 모양이 변경된다. 더 높은 압력에서는 변형되어 한쪽 반구가 일종의 반달 모양으로 안쪽으로 붕괴된다. 그런 다음 압력이 완화되면 원래의 구형 모양으로 돌아간다.

점도나 불투명도와 같은 메타유체의 특성은 구성 구체가 어떤 모양을 취하는지에 따라 달라진다. 유체의 특성은 액체에 구체가 몇 개 있는지, 구체의 크기나 두께에 따라 미세 조정될 수 있다.

더 큰 압력으로 인해 구체가 붕괴된다. 압력이 완화되면 구형 모양으로 돌아간다. 출처: Adel Djellouli/Harvard SEAS

개념 증명으로 팀은 메타유체로 유압 로봇 그리퍼를 채웠다. 로봇은 일반적으로 물체를 감지하고 그립 강도를 조정하도록 프로그래밍되어야 한다. 팀은 그리퍼가 추가 감지나 프로그래밍 없이 블루베리, 유리잔, 계란에 자동으로 적응할 수 있음을 보여주었다. 각 물체의 압력은 액체를 조정하도록 "프로그래밍"되어 그리퍼가 손상되지 않은 채 세 가지 모두를 쉽게 집어들 수 있도록 한다.

연구팀은 또한 메타유체가 구성 요소가 구형일 때 불투명한 상태에서 붕괴될 때 더 투명한 상태로 전환될 수 있음을 보여주었다. 연구자들은 후자의 모양이 빛을 집중시키는 렌즈처럼 기능하는 반면, 전자는 빛을 산란시킨다고 말했다.

메타유체는 하버드 로고를 가리고 캡슐이 붕괴됨에 따라 더욱 투명해진다. 출처: Adel Djellouli/Harvard SEAS

또한, 메타유체는 구성 요소가 구형일 때 뉴턴 유체처럼 거동한다. 즉, 점도는 온도 변화에 따라만 변한다. 그러나 붕괴되면 비뉴턴 유체가 되며 존재하는 전단력에 따라 점도가 변한다. 전단력, 즉 반대 방향으로 미는 평행 힘이 클수록 메타유체는 더 많은 액체가 된다.

다음으로 팀은 창작물의 음향 및 열역학이 압력에 따라 어떻게 변화하는지와 같은 추가 특성을 조사하고 상용화를 조사할 것이다. 탄성 구 자체를 만드는 것은 매우 간단하며, 그들은 자신의 것과 같은 메타유체가 로봇, "지능형" 충격 흡수 장치 또는 색상 변경 e-잉크에 유용할 수 있다고 생각한다.

베르톨디는 "이러한 확장 가능하고 생산하기 쉬운 메타유체의 적용 공간은 엄청나다."라고 말했다.

물론, 팀의 창작은 아직 연구 단계이다. 우리 모두가 즐길 수 있는 제품에 등장하기 전에 아직 탐색해야 할 문제가 많이 있다. 그럼에도 불구하고 이 작업은 점점 늘어나는 메타물질 목록에 추가되며 고체에서 액체로의 전환 가능성을 보여준다.

이미지 출처: Adel Djellouli/Harvard SEAS