[핵잼 사이언스] 사람 피부도 뚫는 개미 턱의 비밀은? 코팅 기술 덕분

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수정 2021-09-12 09:07

입력 2021-09-12 09:07

가위개미로 흔히 불리는 잎꾼개미들의 모습.(사진=Pjt56, CC BY-SA 4.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0>, via Wikimedia Commons) — 가위개미로 흔히 불리는 잎꾼개미들의 모습.(사진=Pjt56, CC BY-SA 4.0 , via Wikimedia Commons)

개미는 곤충계에서는 물론 동물계에서 가장 성공적인 동물 가운데 하나다. 육상 동물 생물량의 20%는 개미라는 연구 결과가 있을 정도로 개미의 양과 숫자는 압도적이다. 이런 성공의 비결 중 하나는 크고 튼튼한 턱 덕분이다. 날카로운 집게처럼 생긴 개미의 턱은 효과적인 무기이면서 나무줄기나 잎처럼 질기고 튼튼한 물체도 쉽게 자를 수 있는 훌륭한 도구다. 심지어 개미와는 비교가 되지 않을 만큼 큰 사람의 피부도 뚫을 수 있다.

미국 오리건대와 북서태평양국립연구소(PNNL)의 과학자들은 개미를 비롯한 절지동물이 가볍고 탄성을 지니면서도 날카로운 턱과 부속지를 지닌 비결을 알아내기 위해 최신 원자 단층현미경(APT) 분석기술을 이용해 10㎚ 단위로 표면 구조를 분석했다. 원자 단층현미경 분석기술은 표면의 물질을 조금씩 증발시킨 후 원자 수준에서 관찰하는 방법으로 단 하나의 원자층도 분석할 수 있다.

기본적으로 곤충을 포함한 절지동물의 외피는 키틴(Chitin)이라는 다당질 중합체로 되어 있다. 키틴은 매우 가볍고 튼튼하며 탄성을 지닌 물질로 곤충이나 갑각류의 외골격이나 부속지를 만드는 기본 소재다. 키틴은 그 자체로 기계적 성질이 뛰어난 물질이지만, 많은 곤충과 갑각류가 여기에 여러 가지 첨가물을 더해 더 단단한 외피를 만들거나 턱과 발톱 같은 무기를 만든다. 개미의 턱 역시 키틴에 아연 같은 다른 원소를 섞어 훨씬 단단하게 개조한 것이다. 연구팀은 아연이 나노 입자 형태로 키틴질 베이스에 섞여 있을 것으로 예상했다.

하지만 원자 단층현미경 분석 결과 아연 원자는 매우 얇은 층으로 표면에 코팅되어 있었다. 아연 나노 코팅 덕분에 본래는 다소 물렁물렁한 미세 섬유질인 키틴이 매우 날카로운 표면을 지니게 된 것이다. 연구팀은 가위개미로 흔히 불리는 잎꾼개미(학명 Atta cephalotes)의 턱이 사람의 치아보다 가볍지만, 훨씬 날카로워 60% 정도의 힘만 줘도 물체를 절단할 수 있다는 사실을 발견했다. 참고로 개미는 별도의 이빨이 없고 턱에 있는 날카로운 돌기를 이빨처럼 사용한다.

사실 수억 년 진화의 결정체인 자연의 소재 기술은 종종 인간의 기술을 앞서 있다. 당연히 과학자들은 이들에게 한 수 배우려고 노력하고 있다. 이번 연구 역시 예외가 아니다. 연구팀은 나노 코팅 기술을 통해 가볍고 탄성을 지니면서도 날카로운 도구를 만들 수 있을 것으로 기대하고 있다.

고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com