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- 해면의 개별 섬유는 두께가 다른 규산염 가닥으로 구성돼
- 생성된 섬유는 프레임워크 패턴으로 배열돼 더 큰 수준에서도 높은 하중 지탱 가능
- 이러한 방식으로 만들어진 구조를 방탄복의 기초로 상상할 수 있다.
- 해면에서 가능한 암 치료제로 판명될 수 있는 몇 가지 활성 물질을 추출

모델로서의 해면
많은 속성이 과학에 영감을 준다.

진화 생물학자들 외에도 재료 과학자들과 의학 연구자들도 해양 해면에 관심이 많다.
해면은 매우 적응력이 뛰어나 불리한 환경의 적대적인 장소에서도 생존 할 수 있다. 이러한 견고성은 바이오닉스에서 중요한 역할을 할 수 있다. 일부 응용 프로그램은 이미 심해 동물을 기반으로 한다. 

▲ 물뿌리개 스펀지(해면)는 특히 안정적이고 매우 효율적인 유리 섬유 네트워크를 형성한다. © gemeinfrei

 

물 한 컵이 떨어지면 금방 깨진다. 유리 해면은 대부분 유리, 즉 이산화규소로 만들어지지만, 매우 견고하고 파손 없이 무거운 하중을 견딜 수 있다. 재료 과학자들은 특히 이 관련성에 매료된다. 그들은 점차 심해 거주자 해면의 비밀을 밝혀내고 있다.

안정적인 광섬유 네트워크

일찍이 2005년에 국제 연구팀은 물뿌리개 해면이라고도 알려진 유리 해면 유플렉텔라 아스페르길룸(Euplectella aspergillum)의 다양한 수준을 조사하는 데 성공했다. 처음으로 그들은 안정적인 유리 섬유에 대한 명확성을 얻을 수 있었다. 여기에는 서로 다른 기술의 조합이 있었다.

과학자들은 불과 몇 마이크로미터의 규모에서 안정성에 관한 기초를 식별할 수 있었다.
해면의 개별 섬유는 두께가 다른 규산염 가닥으로 구성돼 있으며 유기 접착제와 일종의 시멘트를 사용해 짜져 있다. 결과적으로 생성된 섬유는 일종의 프레임워크 패턴으로 배열돼 더 큰 수준에서도 해면에 높은 하중을 지탱하도록 한다.

테스트 벤치의 그리드 배열

또 다른 연구에서 Harvard University의 과학자들은 3D 프린터를 사용해 안정성을 조사하기 위해 다양한 격자 구조를 재현했다. 무엇보다도 그들은 물뿌리개 해면 모델을 기반으로 단순한 정사각형 격자, 십자 격자 및 구조를 테스트했다. 우수한 비교성을 보장하기 위해 연구원들은 항상 일정한 양의 재료를 사용했다.

결과:
해면 구조는 모든 응력 테스트에서 가장 잘 수행되었다.
"진화적 최적화 알고리즘의 도움으로 우리는 해면에서 영감을 얻은 격자 기하학이 고려 중인 공간에 대한 최적의 재료 분포에 근접한다는 것을 보여줄 수 있었다"고 연구원들은 말했다. 유리 해면은 진화 과정에서 가장 효율적이고 안정적인 구조를 개발했다. 그 결과로 그들은 수천 미터 깊이까지 자라며 갑각류와 다른 적들을 견딜 수 있다.

덧붙여서, 단단한 구조는 해면 자체를 보호할 뿐만 아니라 일부 유리 해면에서는 어린 쌍의 새우가 그물 내부에 둥지를 틀고 있다. 갑각류는 평생 협약을 맺는다. 갑각류는 너무 커서 해면 격자의 구멍을 통해 나올 수 없으며 집게로 규산염을 해칠 수 없다. 그래서 그들은 잠겨 있지만, 또한 보호된다. 또 다른 장점은 해면이 지속적으로 신선하고 영양이 풍부한 물을 갑각류에 공급한다는 것이다.

실험실에서 가져온 탄성 석회

안정성과 유연성이 상호 배타적일 필요는 없다.
Johannes Gutenberg University Mainz와 Max Planck Institute for Polymer Research의 과학자들도 일종의 탄성 석회를 생산하기 위해 일련의 실험에서 심해 스폰지를 모델로 사용했다.

연구자들은 석회 해면에서 발견되는 것과 같은 탄산칼슘으로 만들어진 골격 바늘을 기초로 사용했다. 이것들은 단백질 실리카테인-α의 도움으로 함께 배열되고 접착되었다. 생성된 하이브리드 재료는 매우 저항력이 있었지만 유기물 함량으로 인해 여전히 구부러질 수 있었다. 과학자들은 예를 들어 이러한 방식으로 만들어진 구조를 방탄복의 기초로 상상할 수 있다.

▲ 골격 바늘은 해면의 유형에 따라 매우 다른 모양을 취할 수 있다. © Rob W. M. Van Soest / CC-by-sa 2.5

암에 대한 해면 스트레스

해면은 튼튼한 체격 때문에 생존자일 뿐만 아니라, 오염 물질 및 기타 위협으로부터 화학적으로 자신을 보호할 수 있다. 이 능력은 응용의 더 많은 생체 공학 영역을 제공한다. 시간이 지남에 따라 과학자들은 해면에서 가능한 암 치료제로 판명될 수 있는 몇 가지 활성 물질을 추출했다.

여기서 문제는 스펀지에서 수집된 양이 가시적인 연구 결과를 생성하기에 충분하지 않다는 것이다. 배양된 해면은 항체를 생성할 이유가 부족해 항체를 거의 생성하지 않는다. 그들은 실험실 환경에서 충분히 스트레스를 받지 않는다. (계속)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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