식물처럼 광합성으로 자라는 신소재

[요약] 미국 MIT 연구팀이 공기 중의 이산화탄소를 이용해 자라는 신소재를 개발했다. 식물의 엽록체를 이용한 이 연구는 향후 소재의 신기원을 열 것으로 기대를 모은다.(2018.10)

미국 매사추세츠공과대(MIT) 엔지니어가 설계한 신소재는 공기 중의 이산화탄소와 반응해 성장하거나 강화되고, 수리도 이뤄진다. 건축 현장에서 시공이나 수리 재료, 보호 코팅재로 사용될 것으로 기대를 모으는 이 고분자는 지속적으로 온실가스를 탄소계 재료로 전환시켜 스스로를 보강한다. 

현재 이 소재는 식물이 성장하면서 공기에서 이산화탄소를 흡수하는 것과 유사한 화학 공정을 수행한다. 이 연구 결과는 국제학술지 어드밴스드 머티리얼스 최신호에 게재됐다. 저자는 UC리버사이드의 마이클 스트라노 교수와 곽선영 박사후 연구원 등 8명이다. 

화학공학 전문가인 카본 덥스는 “이것은 재료과학에서 완전히 새로운 개념”이라고 말했다. 생물학적 영역 밖에서 태양광의 힘만 사용해 주변 대기에서 이산화탄소를 견고하고 안정된 형태로 변형시킬 수 있는 물질은 지금까지 없었다. 

연구팀은 화석 연료를 사용하지 않으면서 공기 중의 이산화탄소를 실제로 소비하는 합성 물질을 개발하는 것은 환경과 기후에 뚜렷한 장점이 있다고 설명했다. 탄소를 이산화탄소에서 꺼내 물질의 골격에 포함시키면서 나무처럼 자라는 합성 물질이 되는 것이다. 

연구팀은 시금치 잎에서 얻은 식물 세포에서 빛을 이용하는 성분인 엽록체를 이용했다. 엽록체는 살아 있지 않지만 이산화탄소와 포도당의 반응을 촉진한다. 분리된 엽록체는 불안정하기 때문에 식물에서 추출하면 몇 시간 뒤에 기능을 멈추는 경향이 있다. 논문에서 스트라노 교수 연구팀은 추출된 엽록체의 촉매 수명을 증가시키는 방법을 찾아내다. 현재는 엽록체를 비생물학적인 촉매로 대체하는 연구도 진행하고 있다. 

연구팀이 사용한 물질은 아미노프로필메타크릴아미드(APMA)와 글루코우스로 만든 고분자와 엽록체로 구성된 젤 매트릭스 형태이다. 균열 충진재 또는 코팅재로는 활용할 수 있지만 다만 충분히 강하지 않기 때문에 건축 자재로는 사용하기 힘들다. 

연구팀은 톤 단위로 이런 유형의 재료를 생산하는 방법을 찾고 재료의 특성을 최적화하는데 주력하고 있다. 가까운 미래에 자체 치유 코팅 및 균열 충진과 같은 상업적 응용을 위해서이다. 하지만 건축이나 복합적인 용도로 사용할 수 있는 재료를 개발하려면 화학 및 재료 과학적 측면에서 보완이 필요하다. 

이런 신소재의 한가지 중요한 이점은 햇빛이나 실내조명에 노출되면 스스로 복구할 수 있다는 것이다. 표면에 긁힌 자국이나 균열이 생기면 외부의 별다른 조치 없이도 틈새를 메우고 손상이 사라진다. 
지금까지 연구자들은 식물의 능력을 모방할 수 있는 자가 치유 물질을 개발하기 위해 노력해왔다. 하지만 치유 능력을 활용하기 위해서는 가열, 자외선, 기계적 조작 또는 화학 처리가 필요했다. 반면 신소재는 주위에 빛만 있으면 된다. 

곽선영 박사는 액체로 시작해 고체로 뭉치기 시작하는 과정을 지켜보는 것이 아주 흥미롭다고 말한다. 그는 “재료 과학은 지금까지 이런 물질을 생산하지 못했다”면서 “신소재는 재생산을 할 수는 없지만 생식의 일부 측면을 모방한다”고 말했다. 

스트라노 교수는 “우리의 연구는 이산화탄소가 순전히 부담과 비용일 필요는 없다는 것을 보여준다”면서 “사방에 탄소가 있고, 풍부한 탄소를 활용하는 재료를 만드는 것은 재료 과학에서 중요한 기회”라고 했다.