거시적인 세계를 정하는 미시적인 배열 | 칼리스 아그리스 그로스 | TEDxRiga

물체의 구성으로는 그 물체의 일부만 알 수 있습니다. 나머지 비밀들은 거시적, 미시적, 나노 수준의 배열에서 정해집니다. 그로스 교수는 기술적인 물질의 구성 요소든, 삶을 도와주는 물질의 구성 요소든, 여러분이 좋아하는 여름 간식의 구성 요소든 최적의 성능에 있어 배열이 얼마나 필수적인지 보여줍니다. 그로스 교수의 결정체에 관한 열정으로 뼈 이식을 위한 합성 물질 발전에 약진이 있습니다.

칼리스 아그리스 그로스 교수는 정형외과 관련 물질 개발에 헌신하고 있는 재료 공학 교수입니다. 그는 미시적 수준과 나노 수준의 세계에 관한 통찰력으로 정형외과 관련 부품과 젤라토 아이스크림에서 물질의 배열이 얼마나 성능을 향상시키는지 연구합니다.

이 강연은 TED 컨퍼런스 형식에 맞춰 개최된 별도의 지역 TEDx행사에서 발표되었습니다. 더 자세한 내용은 http://ted.com/tedx 를 방문해 주세요.

사과의 구성 요소를
생각해보신 적 있나요?

아닐 겁니다.

옆 사람을 보세요.
저 사람들은 무엇으로 만들어졌을까요?

거의 비슷한 성분일 거예요.

그 성분들을 어떻게 놓느냐가

차이를 만들어요.
배열로 유일무이해집니다.

저는 호주에서 공부한 재료 공학자이고

그리고 재료를 볼 때
재료의 자세한 것을 보고,

그 구성을 보고, 그 집합을 봅니다.

집합은 중요합니다.

"여자의 가장 친한 친구는 다이아몬드이다"라는
표현을 아실 텐데요.

재료 공학자에게 가장
친한 친구는 결정체입니다.

자연에서 배열이
나타난 게 결정체입니다.

일상생활에서 결정체는 중요합니다.

우리가 어디서 결정체를
보는지 생각해보세요.

우리 모두 결정체를 지니고 있어요.

실리콘 결정인 핸드폰이 한 예입니다.

다른 예로는 기계 부품 닦는
연마재가 있습니다.

우리가 날 때는 단일 결정체를 봅니다.

우리는 사실 단일 결정체에 감사하죠.

단일 결정체는 항공기
터빈 날개에 있습니다.

결정체는 어디에나 존재합니다.

심지어 아이스크림에도 결정체가 있지요.

20년 전에 저는 미식학의
세계에 발을 들였습니다.

여기서 저는 아이스크림 안에서

배열이 중요한지를 보았습니다.

이 주방에서 과학을 소개할까 합니다.

공학자로서 배운 걸 어떻게
적용할까 항상 고민해요.

그래서 구조가 중요한 이 특별한 것에서

제가 발견한 것을
여러분과 공유하고 싶어요.

최근에 아이스크림 드신 적이 있나요?

얼마나 많은 분들이 아이스크림의
구조에 대해 생각하시나요?

몇몇 있네요.

빙과류들의

성분은 비슷할 수 있지만

구조는 다릅니다.

2개의 극과 극이 있어요.

벤 엔 제리 아이스크림이 하나 있고요.
벤 엔 제리 아이스크림 좋아하시는 분 있나요?

이 끝에는 벤 엔 제리이고요.

가운데에는 슈퍼마켓
아이스크림이 있고요.

이 끝에는 제가 참을 수 없어서

직접 만든 젤라토
아이스크림이 있습니다.

(웃음)

여기에는 젤라토 아이스크림이 있습니다.

구조가 얼마나 중요한지
강조하고 싶습니다.

첫 번째에는
벤 엔 제리 아이스크림이 있어요.

크림, 설탕, 달걀 같은
좋은 재료로 가득 차 있어요.

맛이 좋고 가득 차 있어요.

쫀득하고, 단단하고,
진하고, 떠먹기 힘듭니다.

그래서 여러 종류의
떠먹는 숟갈들이 있어요.

좋은 것으로 가득하다고 말씀드렸다시피
이 아이스크림에는 지방이 17% 있습니다.

(웃음)

견과류, 초콜릿, 쿠키, 소스 같은
많은 첨가물도 있습니다.

이 아이스크림 먹으러
진짜 갈 법합니다.

이 아이스크림 안에는 구조가 별로
없으니 잠시 다른 곳에 놓겠습니다.

다음 것은 슈퍼마켓 아이스크림입니다.

슈퍼마켓 아이스크림에는
더 많은 구조가 있습니다.

더 간단하고,
쉽게 먹을 수 있고, 더 부드럽죠.

절반은 공기로 이루어져 있습니다.

이 아이스크림 안에
공기가 포함되어 있어요.

하지만 공기가 맛을 연하게 합니다.

그것이 흔히들 몇몇 종류의
향료를 넣는 이유이지요.

재료의 질이 더 낮지만 구조가 있습니다.

마지막으로 구조를 가지고 있는
젤라토 아이스크림입니다.

젤라토는 맛도, 구조도 풍부하죠.

젤라토로 맛의 정상에 오르게 됩니다.

제가 서있는 곳까지 향이 나네요.
이 통에서 흘러나오는 것 같네요.

여러분들은 항상
천연 재료를 더 넣으라고 해요.

여러분 입안에 천연 재료들이 머무르다가

녹은 다음 5초에서 10초 후에

여러분은 맛을 느낄 수 있습니다.

아이스크림의 기본이 크림이라면

대략 7% 정도로 지방이 조금 있습니다.

따라서 그 구조에는 공기가 조금 있으니
아이스크림은 더 부드럽고 입안에 녹습니다.

얼마나 쉽게 퍼지는지 보세요.

이런.

아이스크림 콘이 없네요.

다시 넣었습니다.

이것으로 더 활용해볼 게 더 있습니다.

결정체에 관해서요.

이것으로 결정체의 모양에 대해서
생각해 볼 수 있는데요.

결정체들로 큰 물체를
만들 수 있습니다.

결정체들의 집합이
결과물의 특징을 정합니다.

제가 인공 물질을 만든
대학교 실험실에서는

특정 성분을 이용해서

정말로 결정체들을 만듭니다.

그리고 뼈와 잘 어우러질 수 있는
특정 결정체 만드는 것을 연구합니다.

뼈는 물질들의 자연적인 결합체이고

그 구조는 뼈의 특성을 향상합니다.

놀라시겠지만, 뼈 역시
결정체를 가지고 있습니다.

긴 결정체들이고,
콜라겐과 함께 결합하고

좋은 역학적 특징을 가지고 있습니다.

어떻게 함께 결합하느냐에 따라
힘이 내재되어 있습니다.

뼈는 간단한 결합체가 아닙니다.

결정체들은 각기 다른
순서에 따라 결합합니다.

맨 왼쪽엔 작은 회색 결정이 있는데요.

다 방향을 가리키고, 나란히 있고

결정체들 사이에는
콜라겐 분자들이 있습니다.

이건 기본 구성 요소입니다.

근원섬유 안에
이 결정체들이 많이 있고요.

근원섬유들이 원기둥처럼 모이고
그것들이 섬유가 됩니다.

점점 집합해가는 순서를
보실 수 있습니다.

이 섬유들을 층별로 나누고,

섬유들의 방향을 층별로 볼 수 있습니다.

이러한 배열로

놀랄만한 역학적 성질이 나타납니다.

신생아들을 생각해보시면

아기들은 마구 넘어지는데
뼈는 부러지지 않습니다.

아기들의 뼈는 아주 튼튼해요.

인공 물질에서도 배열은 중요합니다.

저와 제 연구원들은
결정들을 합성합니다.

피막을 만들고

이 피막들을 고관절
인공 보철물 위에 덮습니다.

이러한 인공 보철물은
상업적으로 구할 수 있습니다.

다행인 건, 이 뼈 결정체 구성 요소가

이미 자연에 존재해서 생체에
거부 반응이 안 생긴 다는 겁니다.

이 뼈 결정체 요소는 인공 보철물에도
잘 맞고 뼈와도 잘 결합합니다.

하지만 결정체 안에는 배열이
임의적이라는 문제가 있습니다.

뼈가 인공 보철물 표면까지 자라고

인공 보철물과 결합하긴 하지만

여기서 할 수 있는 게 더 있습니다.

결정체의 모양을 정할 수 있습니다.

이건 긴 육각형 모양의 결정체입니다.

이 결정체들을 우리가
본 뼈 안에 배열처럼

나란히 배열할 수 있고,

이 배열된 결정체들을 인공 보철물 위
피막 안에 넣을 수 있습니다.

제 팀은 대략 10년 동안

뼈 결정체 안에 잘 정돈된
배열을 살펴보았습니다.

뼈 결정체 안에는 칼슘,
인산, 수산기 이온이

우리가 본 아이스크림 안의
분자들처럼 똑같이 있습니다.

이러한 분자에는

전극이 있으니 배터리와
비교해 볼 수 있습니다.

수산기가 있는 한쪽 끝은 양전하가 있고

산소가 있는 반대쪽은

음전하가 있습니다.

일반적으로 피막 안에서 전하들은
무작위로 배열하지만

우리가 전하들을 배열할 수 있을까요?
우리가 순서를 정할 수 있을까요?

성가대를 예로 들어봅시다.

여기 있네요.

성가대원들은 잘 배열해있고
지휘자를 바라보고 있습니다.

좋은 합창이 나올 거라고
우리는 알고 있습니다.

성가대원들이 각자
자신만의 방향을 본다면

상당히 체계적이지 않습니다.

하지만 성가대원들이 지휘자를
바라보고 있기 때문에

큰 소리와 최고의 음향이 나옵니다.

비슷한 방법으로

수산기 이온 얘기로 돌아가서

결정체 구조 안에서
수산기 이온의 배열에 관해

생각해 볼 수 있습니다.

수산기 이온들을 정렬할 수 있다면

맨 오른쪽 보시면

위쪽에는 양극이고, 아래쪽은 음극이니

결정체 끝에 전하를

흘려보낼 수 있습니다.

이 경우에는

결정체의 끝은 피막의 표면입니다.

그래서 이러한 방법으로 결정체의
특성을 향상시킬 수 있습니다.

뼈세포가 피막 표면까지
자라는 성향이 있고

뼈 성장이 더 활발하다는
연구 결과가 있습니다.

단지 전하를 가지고 시도하는 것으로

물질의 가치를 올렸습니다.

이 수산기 그룹을 배열해서
물질의 가치를 더 올릴 수 있습니다.

결정체의 모양, 결정체의 방향,

그리고 또 수산기 이온들의 방향으로

물질의 가치를 올릴 수 있습니다.

이같이 가치가 더해진 이식으로 삶이
향상될 거라고 볼 수 있습니다.

저와 제 동료들은
그런 미래를 볼 수 있길 바라요.

물질이 얼마나 우리 몸에,

음식에, 조직에, 그리고 또 이식에
영향을 미치는지 보여드렸어요.

이 강연의 교훈은

구성 요소만 보지 말고

순서, 집합, 그리고 구조를 보세요.

그렇게 해서 성능을
올릴 수 있을 겁니다.

감사합니다.

(박수)