달팽이 이빨, 거미줄을 제치고 자연계에서 가장 강한 물질로 확인(2015)

 (smithsonianmag.com)
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  • 영국 연구진이 삿갓조개류 해양 달팽이의 이빨을 시험한 결과, 인장 강도가 대부분의 거미줄보다 평균 약 5배 높아 측정된 자연 물질 가운데 가장 강했음
  • 이빨은 철을 함유한 결정인 침철석(goethite) 나노섬유를 단백질 기질이 감싸는 복합 구조로 이루어짐
  • 강도의 상한은 Kevlar보다 크게 높고 최고 품질의 탄소섬유와 비슷하지만, 그래핀처럼 가장 강한 인공 재료에는 미치지 못함
  • 삿갓조개는 근육질 발과 분비물로 제곱인치당 75파운드의 힘을 내 바위에 붙고, 치설(radula) 에 박힌 이빨로 먹이를 섭취하며 바위를 갈아냄
  • 여기서 비교하는 기준은 잡아당길 때 끊어지지 않는 인장 강도이며, 압축 강도나 긁힘·절단에 저항하는 경도와 구별해야 함

삿갓조개 이빨의 구조와 강도

  • 삿갓조개는 파도가 부딪히는 바위에 단단히 붙어 사는 해양 달팽이로, 근육질의 연체동물 ‘발’과 화학적 분비물을 이용해 제곱인치당 75파운드의 힘으로 밀착할 수 있음
  • 먹이를 먹을 때는 여러 이빨이 박힌 혀인 치설(radula) 로 바위를 갈아냄
  • 실험에서 이 이빨 재료는 대부분의 거미줄보다 평균 약 5배 높은 인장 강도를 보였음
    • 연구진은 이 강도를 스파게티 한 가닥이 각각 1파운드인 설탕 봉지 약 3,300개를 지탱하는 수준에 비유함
    • 탄소를 다이아몬드로 바꿀 정도의 압력에도 견딜 수 있다고 소개됐지만, 편집자 주는 본문의 비교 기준이 인장 강도라는 점을 별도로 명확히 함
  • 이빨은 철 함유 결정인 침철석 나노섬유를 단백질 기질이 감싼 구조임
    • 측정 범위의 상한은 Kevlar를 크게 앞서며 최고 품질의 탄소섬유와 비슷함
    • 그래핀을 비롯한 가장 강한 인공 재료보다는 약함
  • 연구 결과는 Journal of the Royal Society Interface에 게재됨

서로 다른 재료 특성과 공학적 활용

  • 지구상의 강한 재료를 폭넓게 비교하면 다이아몬드보다 강한 인공 나노재료가 있으며, 자연계에도 다이아몬드보다 더 큰 응력을 견디는 희귀 재료 두 종류가 있음
    • wurtzite boron nitrate는 다이아몬드와 유사한 원자 배열을 가지며 붕소와 질소로 구성됨
    • lonsdaleite는 탄소로 이루어졌지만 다이아몬드의 입방 구조와 달리 육각 구조이며, 흑연을 포함한 운석이 지구에 충돌할 때 생성될 수 있음
    • lonsdaleite는 다이아몬드보다 58% 더 큰 응력을 견딜 수 있음
  • 다만 wurtzite boron nitrate 비교는 인장 강도가 아니라 긁힘이나 절단에 저항하는 경도에 관한 것이므로, 삿갓조개 이빨과 동일한 기준의 순위로 해석하면 안 됨
  • 단단하면서도 강하고 유연한 재료는 차세대 소재·구조물·기계 개발에 유용하며, 삿갓조개 이빨의 복합 구조는 새로운 생체모방 소재의 연구 대상이 됨

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GN⁺   [-]
Hacker News 의견들

  • 사진을 보고 싶다면 이 논문에 좋은 자료가 많다: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ece3.10332
    민달팽이 앞에 손가락을 대면 갉아 먹으려 하는데, 사포처럼 까끌한 감각이 왜 생기는지 이제야 알게 됐다

    • Seattle 주변의 정원 달팽이는 피부 위를 기어 다니게 두면 실제로 아주 작게 물어 피까지 낼 수 있다
    • 고양이 혀의 케라틴 돌기와 비슷하지만 크기가 훨씬 작다
    • 피부보다 단단한 것이 느껴졌다면 먹으려고 시도한 게 아니라 실제로 먹은 셈이다
    • 예상보다 훨씬 섬뜩한 내용이었다

  • “스파게티 한 가닥이 1파운드 설탕 3,300봉지를 들어 올리는 것과 같다”는 비유보다 중형 승용차라고 하는 편이 훨씬 명확했을 것이다

    • 원출처인 BBC 기사에서는 “스파게티 한 가닥이 0.5kg 설탕 3,000봉지를 들어 올리는 것”이라고 표현했다
      영국 청중에게 익숙한 물건으로 1,500kg을 비유한 것인데, Smithsonian이 단위를 변환하면서 미국인에게 오히려 낯선 1파운드 설탕 봉지로 바꿔 버렸다. 미국에서는 1파운드 설탕 봉지를 거의 본 적 없지만 영국에서는 500g 봉지가 조금 작아도 흔한 편이다
      https://www.bbc.com/news/science-environment-31500883
      https://www.sainsburys.co.uk/gol-ui/product/sainsburys-white...
    • 누구나 설탕 1파운드짜리 3,300봉지의 무게와 그것을 들어 올리는 데 필요한 힘을 경험으로 잘 안다는 듯한 비유다. 반면 중형차는 범위가 모호하고, 실제로 누가 들어 올리는 모습을 본 사람도 없다
    • 설탕 봉지도 문제지만 스파게티 한 가닥이 무엇을 뜻하는지도 불분명하다
      무게나 부피 중 무엇을 기준으로 하는지, 익혀서 유연한 상태인지 마른 상태라 잘 부러지는지도 알 수 없다. 스파게티는 크기 대비 인장 강도를 직관적으로 아는 물건도 아니어서 무엇을 시각화하려는 비유인지 이해하기 어렵다
    • 유럽식 중형차인지 미국식 중형차인지에 따라서도 무게가 달라진다

  • “1파운드 설탕 3,300봉지”처럼 봉지 개수로 무게를 전달하기보다 현대식 승용차 한 대라고 하는 편이 낫다

    • 깃털 몇 kg과 강철 몇 kg 중 어느 쪽을 더 많이 들 수 있는지도 따져 봐야 한다: https://www.youtube.com/watch?v=-fC2oke5MFg
    • 이런 과장된 단위 비유를 볼 때마다 익살스러운 농담처럼 느껴진다

  • Elisabeth Tova Bailey의 The Sound of a Wild Snail Eating에서 달팽이 이빨을 처음 알게 됐다
    희귀 감염으로 신경계에 이상이 생겨 수년간 거의 침대에서 지낸 여성이, 친구가 숲에서 가져와 침대 옆에 놓아준 달팽이를 관찰하고 공공도서관 책으로 연체동물을 깊이 탐구하는 짧고 아름다운 논픽션이다. 아이에게 읽어준 뒤 들판에 누워 민달팽이가 식물을 “착착착” 씹는 소리를 직접 들어보기도 했다

  • 수족관에서 달팽이를 관찰하면 거의 계속 무언가를 갉아 먹는다. 쉬지도 않는 그 작은 이빨을 어떻게 온전하게 유지하는지 늘 궁금했는데, 이빨의 구조와 재생 방식이 그 답이었다

  • 달팽이 이빨 사진을 보고 싶었다

  • 원 연구 논문은 다음 링크에 있으며, 기사 본문의 링크들은 깨져 있다
    https://royalsocietypublishing.org/rsif/article/12/105/20141...

  • 이 연구는 2015년 논문이며, 2017년에 압축 강도와 인장 강도의 차이에 관한 유용한 정정이 추가됐다

    • 경도도 별개의 특성이다. 다이아몬드는 단단하지만 바로 그 특성 때문에 망치로 충격을 주면 깨뜨릴 수 있다
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