광대사마귀 새우(harlequin mantis shrimp). 다소 이름이 길다. 생긴 모양이 광대 같다는 것은 이해가 갈 것이다. 녀석은 사마귀처럼 흉포한 포식자이다. 지난 7일(현지시각) 피직스닷컴(Physics.com)이 광대사마귀 새우가 수족관 유리조차 깰 수 있다는 작지만 의미 있는 연구 결과가 나왔다고 밝혔다.

연구원들은 새우가 보통 조개껍질을 깨는데 사용하는 몽둥이 발에 그 비밀이 있으며, 이 ‘몽둥이’는 서로 다른 특성을 갖는 소재의 조합으로 이루어 졌음을 밝혔다. 측정 결과 몽둥이 발은 어떤 합성 소재보다 훨씬 더 강력하고 단단하며, 그 원리를 응용하면 방탄복 등에 사용할 수 있는 더욱 강력한 소재를 만들 수 있을 것으로 믿고 있다.

길이 3~18 센티미터인 광대사마귀 새우(학명 : 오돈토닥틸루스 실라루스, Odontodactylus scyllarus)는 한 쌍의 몽둥이 발을 시속 80Km 이상의 속도에 달하도록 가속, 순간적으로 700N(뉴턴) 이상의 힘을 낼 수 있다.

이 강력한 힘과 더불어, 몽둥이 발과 새우 껍질 사이에 공기 방울이 터지면서 국부적으로 강력한 압력을 생성한다. 이 과정은 몽둥이 발에 별다른 손상이 없이 수천 번 반복될 수 있어서 결국 탈피(脫皮) 과정에서 대체된다.

새우가 얼마나 용맹스러운지 알아보기 위해서 미국 하버드 대학의 제임스 위버(James Weaver), 캘리포니아 대학 리버사이드 캠퍼스의 가렛 밀러런(Garrett Milliron), 그리고 싱가폴 난양대학의 알리 미세레즈(Ali Miserez)는 몽둥이 발의 구조와 성분을 파악하기 위하여 다양한 분석 기법을 동원했다. 전자 현미경은 물론이고, 엑스레이 마이크로 단층촬영, 싱크로트론 엑스레이 산란, 그리고 에너지 확산 엑스레이 분광기를 이용했다.

부서지기 쉬운 표면 ?

한 가지 놀라운 것은 새우의 몽둥이 발에서 타격하는 부분이 매우 단단한 결정상태의 칼슘-인산염 세라믹 물질로 되어 있다는 것인데, 이는 수산화인회석(水酸化燐灰石, 뼈의 미네랄 성분)으로 알려진 물질로 두께가 약 60 마이크로미터였다. 이 물질은 그 자체로는 충격이 가해지면 부서지기 쉬워서 내구성이 없다.

그러나 이 단단한 표면 밑에서 연구팀은 훨씬 두꺼운 다당류(多糖類, polysaccharide) 키토산(chitosan)으로 된 섬유층들을 발견했는데, 이는 훨씬 탄성이 있는 물질로 새우의 외골격에서 보통 발견된다.

각 섬유층들은 표면과 평행이지만 인접한 섬유층들과는 작은 각도로 상쇄, 약 75 마이크로미터에 걸쳐 180도 돌아가게 되어 있다. 몽둥이 발은 키토산 섬유로 만들어진 세 번째 구조 끝에 달려 있다. 연구팀은 이 같은 다층 나선 구조가 몽둥이가 부서지지 않도록 극도의 저항력을 제공한다고 믿고 있다. 어떤 타격이든 물질 내에서 전파되면 연속적으로 방향이 틀어지게 되어 있어서 파열될 일이 없게 만드는 것이다.

타격 방향의 전환

연구팀은 또한 몽둥이 발의 탄성 계수가 깊이의 함수로 변하는 것을 발견했다. 그 결과로 몽둥이 발로 충격파가 전파되면서 일부 충격 에너지는 표면 쪽으로 되돌아 나온다. 이 탄성 계수의 변화는 또한 충격이 전파되는 것을 반사시키는데, 따라서 파열의 위험을 줄인다. 연구팀은 새우의 이 엄청난 몽둥이 구조, 즉, 단단한 세라믹과 탄성 유기 물질의 합성 구조를 응용하면 보다 나은 방탄복을 만들 수 있을 것으로 믿고 있다.

사마귀 새우가 생물물리학자들의 관심을 끈 것은 이번이 처음은 아니다. 이 동물은 매우 발달된 시각 시스템을 갖은 것으로 알려졌다. 2008년 연구원들은 두 종(種)의 새우가 원편광(圓偏光)된 빛을 감지할 수 있음을 보였다. 살아있는 유기체로선 최초였다.

이번 연구는 저널 사이언스(Science)에 게재됐다.