트럭이나 병에 담긴 물이 아니라, 집 벽에서 직접 솟아나는 사막에서의 삶을 상상해 보세요. 전기, 기계, 움직이는 부품도 필요 없습니다. 오직 공기와 마법처럼 작동하는 소재만 있을 뿐입니다.
이건 공상 과학이 아니라 과학적 사실입니다. 펜실베이니아 대학교의 엔지니어들이 놀라운 발견을 통해 외부 에너지원 없이 공기 중에서 수분을 추출할 수 있는 새로운 종류의 소재를 발견했습니다. 그리고 그 소재를 발견한 경위는 순전히 우연이었습니다.
미스터리에서 시작된 발견
펜실베이니아 대학교 화학·생체분자공학과 이대연 교수는 "우리는 애초에 물을 모으려고 했던 것도 아니었다"고 인정합니다. 고분자 물질에 대한 일상적인 실험실 테스트로 시작된 일이 획기적인 발견으로 이어진 것은 전 박사 과정 학생이었던 R 바라트 벤카테시가 냉각이나 습도 조절 없이도 테스트 재료 표면에 물방울이 맺히는 이상한 현상을 발견하면서부터였습니다.
왜 그런 일이 일어났을까? 연구원들은 당황했다. 하지만 그들은 이를 대수롭지 않게 여기지 않고 더 깊이 파고들었고, 그 결과 물 부족, 냉각 시스템, 심지어 기본적인 물리 법칙에 대한 우리의 생각을 혁신적으로 바꿀 수 있는 사실을 발견했다.
공기 중에서 수분을 추출하는 소재를 만나보세요
펜실베이니아 대학교 연구팀은 친수성(물을 좋아하는) 나노기공과 소수성(물을 밀어내는) 고분자의 특수 혼합물을 실험하고 있었습니다. 그들이 우연히 발견한 것은 이 조합이 나노 규모의 피드백 루프를 생성한다는 것이었습니다. 즉, 수증기가 나노기공 내부에서 응축된 후 물방울 형태로 표면으로 이동하여 표면을 냉각하거나 극도로 습한 공기를 사용할 필요가 없게 되는 것입니다.
"일반적으로 나노다공성 물질에서는 물이 안으로 들어가면 그대로 머물러 있습니다."라고 공동 연구 책임자인 아미쉬 파텔은 설명합니다. "하지만 우리 연구에서는 물이 단순히 머무르는 데 그치지 않고 이동하고, 응축되어 표면에 물방울 형태로 나타났습니다. 이는 이전에는 관찰된 적이 없는 현상입니다."
규칙을 거스르는 물
처음에 연구팀은 물방울이 실험실 환경의 인공적인 현상, 예를 들어 온도 차이 때문에 형성되는 것일 수 있다고 생각했습니다. 그래서 이 가설을 검증하기 위해 재료의 두께를 변화시켜 보았습니다. 만약 물방울이 표면에서만 형성되는 것이라면 두께는 중요하지 않을 것입니다.
그러나 그랬다.
필름이 두꺼울수록 더 많은 물을 흡수했습니다. 이는 물방울이 재료 내부에서 생성된다는 것을 의미하며, 단순히 표면 응결이 아니라는 것을 증명합니다.
더욱 이상한 점은? 물방울들이 예상대로 증발하지 않았다는 것이다. 크기와 모양으로 미루어 보아 금방 사라져야 했지만, 물방울들은 안정적으로 남아 열역학 법칙을 거스르는 듯한 불가사의한 모습을 보였다.
"이건 단순한 우연이 아니었어요." 뮌헨 공과대학교의 공동 연구자인 스테판 굴딘은 말합니다. "근본적으로 새로운 현상이었죠. 우리는 온갖 조건에서 다공성 박막을 연구해 왔지만, 이런 현상은 본 적이 없습니다."
비결: 완벽한 분자 균형
이 소재가 뛰어난 성능을 발휘하는 비결은 나노기공과 일반적인 플라스틱인 폴리에틸렌의 정확한 배합에 있습니다. 이러한 배합으로 물을 끌어당기는 성질과 발수하는 성질 사이에서 완벽한 균형을 이루는 필름이 만들어집니다.
"우연히 최적의 지점을 찾아냈습니다."라고 리는 말합니다. 미세한 구멍 속의 물은 저장소를 형성하여 표면의 물방울에 수분을 공급합니다. 공기 중의 수분이 계속해서 내부에서 응축되면서 물방울은 끊임없이 보충되고, 이러한 자가 유지 순환이 이루어집니다.
이것이 중요한 이유: 물, 냉각 및 지속가능성
잠시 시야를 넓혀봅시다. 이것이 현실 세계에 어떤 의미를 가질까요?
건조 지역의 물: 이 소재는 전기나 복잡한 기반 시설 없이도 건조한 기후에서 공기 중의 수분을 수동적으로 포집하는 데 사용될 수 있습니다.
지속 가능한 냉방: 이 소재로 코팅된 장치와 표면은 주변 습도에 의해서만 구동되는 증발 냉각을 통해 전자 기기나 건물을 냉각할 수 있습니다.
스마트 소재: 향후 응용 분야에는 습도 수준에 반응하여 편안함이나 성능을 최적화하는 자체 조절 코팅 또는 직물이 포함될 수 있습니다.
그리고 무엇보다 좋은 점은 무엇일까요? 바로 흔하고 대량 생산이 가능한 재료로 만들어졌다는 것입니다. 즉, 생각보다 빨리 실생활에서 사용할 수 있게 될 가능성이 높다는 뜻입니다.
무엇 향후 계획?
연구팀은 아직 연구를 마치지 않았습니다. 현재 친수성 부분과 소수성 부분의 비율을 최적화하고 더 큰 규모로 적용할 수 있도록 소재를 확대하는 방법을 연구하고 있습니다. 또한 물방울이 표면에서 굴러 떨어지도록 유도하여 물 수집 효율을 더욱 높이는 방법도 모색하고 있습니다.
파텔은 “우리는 자연에서 배우고 있습니다. 세포와 단백질이 매우 복잡한 방식으로 물을 조절하는 것처럼, 우리도 그만큼 지능적으로 작동하는 소재를 만들려고 노력하고 있습니다.”라고 말합니다.
그리고 그 노력은 결실을 맺고 있습니다. 미국 국립과학재단, 에너지부, 그리고 민간 연구 재단의 지원금 덕분에 이 발견은 이미 수많은 새로운 질문과 가능성을 불러일으키고 있습니다.
호기심에서 탄생한 획기적인 발전
본질적으로 이 이야기는 호기심, 관찰력, 그리고 "여기서 무슨 일이 벌어지고 있는 거지?"라고 묻는 것의 힘에 관한 이야기입니다.
"이것이 바로 펜실베이니아 대학교가 가장 잘하는 일입니다."라고 리는 말합니다. "우리는 화학 공학자, 재료 과학자, 화학자, 생물학자를 한데 모아 예상치 못한 방식으로 큰 문제들을 해결합니다."
그리고 때때로 그러한 문제들은 아주 작은 물방울의 형태로 저절로 해결되기도 합니다. 어디선가 갑자기 나타나 기존의 규칙에 도전하고, 어쩌면 세상을 바꿀지도 모르는 그런 물방울 말입니다.
