깃털에서 영감 받은 청색기술 소재, 배터리 및 정수 필터에 사용

동부 파랑새의 깃털 구조에서 영감을 얻은 연구원들이 새로운 합성소재를 개발했다. [사진=Depositphotos]

북미에는 외모와 분포에서 차이가 있지만 동부 파랑새, 산지 파랑새, 서부 파랑새 등 많은 유사점을 가진 세 가지 파랑새 종(種)이 서식하고 있다.

로키 산맥 동쪽에서 캐나다 남동부부터 멕시코 만까지 서식하는 개똥지빠귀의 일종인 동부 파랑새 깃털의 독특한 미세 구조는 배터리와 정수 필터에 사용할 수 있는, 생산이 간편하고 확장 가능하며 견고한 새로운 합성 소재를 만드는 데 영감을 주고 있다.

동부 파랑새의 날개가 눈에 띄는 선명한 파란색을 띠는 이유는 깃털에 직경이 수백 나노미터에 불과한 색깔 전달(channel) 네트워크가 있기 때문이다. 국제적인 인터넷 매체 '뉴아틀라스(New Atlas)'에 따르면, 스위스의 취리히연방공과대(ETH Zürich) 연구진이 이와 같은 네트워크 구조가 유용한 소재가 될 수 있는 가능성을 보고 실험실에서 이를 재현하기 위해 노력해왔다고 내용을 전했다.

연구진은 투명한 실리콘 고무를 출발 물질로 사용하여 이를 유성 용액에 넣고 140°C로 가열된 오븐에서 며칠 동안 부풀어 오르게 두었다. 그런 다음 액체와 고무의 용해도를 낮추기 위해 냉각시켜 유성 용액에서 고무를 추출했다.

이 과정에서 연구진은 나노 구조가 어떻게 변화했는지 확인하기 위해 현미경으로 이 물질을 분석한 결과, 파랑새의 깃털과 유사한 네트워크 구조를 확인했다. 유일한 차이점은 형성된 채널의 두께로, 깃털의 경우 약 200나노미터이고 합성 물질의 경우 800나노미터였다.

동부 파랑새 깃털의 미세 구조(왼쪽)와 합성 물질과 유사한 구조(오른쪽) [사진=Fernández-Rico et al.]

물질에 새로운 네트워크 구조를 형성하는 핵심은 상 분리(phase separation)이다. 주방에서 샐러드 드레싱을 만들기 위해 기름과 식초를 섞을 때 이런 현상을 경험해 볼 수 있는데, 흔들면 액체는 섞이지만 흔들기를 멈추면 분리된다. 그러나 오일과 식초를 혼합할 때 가열한 다음 식히는 방법도 사용할 수 있다. 연구팀이 여기에 적용한 원리는 이 과정을 중단함으로써 필요한 채널을 만드는 것이다.

이번 연구의 수석 저자인 칼라 페르난데스-리코(Carla Fernández-Rico)는 "우리는 상 분리 중에 채널이 형성되는 방식으로 조건을 제어하고 선택할 수 있다"면서 "두 상이 다시 완전히 합쳐지기 전에 절차를 중단하는 데 성공했다"고 전했다.

새로운 합성 물질을 만드는 데 사용된 상 분리 과정 [사진=Fernández-Rico et al.]

연구진은 이를 통해 크기가 수 센티미터이고 확장 가능한 합성 물질을 생산하는데 성공했다.

페르난데스-리코는 "원칙적으로 모든 크기의 고무 플라스틱 조각을 사용할 수 있지만, 그에 상응하는 큰 용기(容器)와 오븐도 필요하다"며 "이번에 개발한 새로운 소재가 물리학계의 관심을 끌고 있다"고 말했다.

또한 그는 "우리는 두 가지 재료로만 구성된 단순한 시스템을 가지고 있지만, 최종적인 구조는 매우 복잡하고 재료의 특성에 의해 제어된다"면서 "이 새로운 공정의 주요 물리적 원리를 이해하고 그 결과를 예측하기 위해 물리적 모델 사용을 제안하는 여러 이론적인 것들에 접근하고 있다"고 덧붙였다.

실제로 이 물질은 배터리와 정수 필터에 잠재적으로 사용될 수 있다고 한다. 정수 필터의 경우, 수로와 같은 구조를 사용하면 부피 대비 표면적이 매우 넓어져 오염 물질을 더 효율적으로 제거할 수 있다. 표면적이 불충분하면 고형물이 빠른 속도로 매체에 영향을 미쳐 필터의 표면 막이나 기본 기질 매체가 조기에 열화될 수가 있다. 또한 필터 면적이 충분하지 않으면 시스템을 통과하는 압력 강하가 증가하여 에너지 소비가 증가한다.

배터리 전해질은 배터리 내부의 액체 또는 풀 모양의 용액으로, 양전하를 띤 이온을 음극과 양극 단자 사이를 이동시킨다. 배터리가 시간이 지남에 따라 충전 용량을 잃거나 고장 나는 이유 중 하나는 이온이 전해질과 반응하여 전극이 물리적으로 접촉하여 배터리를 손상시키기 때문이다. 이번에 개발한 물질로 만든 고체 전해질은 전극 사이의 물리적 접촉을 방지하면서 배터리를 통한 이온 수송을 원활하게 유지한다.

페르난데스-리코 수석 연구원은 "하지만 이 제품이 시장에 출시되려면 아직 갈 길이 멀다"면서 "고무 소재는 저렴하고 쉽게 구할 수 있지만 유성(油性) 단계는 상당히 비싸기 때문에 더 저렴한 소재를 개발해야 한다"고 개발 여지를 남겼다.

앞으로 연구진은 지속가능성에 초점을 맞춰 소재를 개선할 계획이다.

그는 "셀룰로오스나 키틴(chitin)과 같은 많은 천연 폴리머는 우리 연구에서 사용된 고무와 유사한 구조를 가지고 있다"고 밝혔다.

이 연구 결과는 '네이처 머티어리얼즈(Nature Materials)' 저널에 게재됐다.