공기 중의 수증기를 매우 효율적으로 응축해 아주 짧은 시간에 물을 모을 수 있는 표면 처리 기술이 개발됐다.

이 분야 기존의 최고 수준 결과보다 10배나 빠른 이 기술은 사막에 사는 딱정벌레와 선인장, 벌레잡이통풀 등 야생생물들로부터 힌트를 얻어 만들어졌다.

이 기술은 앞으로 발전소의 열효율을 높이고 비가 잘 내리지 않는 지역에서 물을 얻는 등 다양한 분야에 응용될 잠재력이 있는 것으로 평가된다.

과학 학술지 네이처는 25일 오전(한국시간) 이런 내용을 포함한 하버드대 공학·응용과학부 조애나 아이젠버그 교수 연구팀(aizenberglab.seas.harvard.edu)의 논문을 온라인(www.nature.com/doifinder/10.1038/nature16956)으로 공개했다.

논문의 제목은 '미끄러운 비대칭 돌기에서의 응축'(Condensation of slippery asymmetric bumps)이다.

사막 딱정벌레나 선인장이 매우 건조한 기후에서도 살 수 있는 것은 공기 중 수증기나 안개·이슬로부터 물을 모아 생존할 수 있게 진화한 덕택이다.

아프리카 나미브 사막에 사는 딱정벌레는 사막에 해가 진 후 온도가 낮아지고 습도가 높아지면서 바람이 솔솔 불면 바람이 불어 오는 방향으로 등을 돌린다.

몸 길이가 약 2cm인 이 딱정벌레의 등 껍질에는 지름이 약 0.5mm인 돌기들이 촘촘히 튀어나와 있으며, 이 돌기가 공기로부터 물을 모으면 물방울이 흘러 내려가서 딱정벌레의 입에 들어간다.

또 사막 선인장의 가시에는 V자 모양의 비대칭형 물길이 나 있어서 가시에 물방울이 맺히면 물길을 타고 또르르 흘러 내려가 선인장 몸통에 흡수된다.

연구팀은 또 벌레잡이통풀의 입구처럼 미끄러운 표면을 만들어 물방울이 잘 흘러내리도록 했다. 이 연구실에서 2011년에 개발돼 네이처에 발표(www.nature.com/nature/journal/v477/n7365/full/nature10447.html)된 '슬립스'(SLIPS·slippery liquid infused porous surfaces)라는 기술이 이용됐다.

수증기가 물방울로 잘 맺히도록 하는 풍뎅이의 돌기 모양, 맺힌 물방울의 방향을 유도하는 선인장 가시의 비대칭 구조, 물방울이 쉽게 움직여 모이도록 하는 벌레잡이통풀의 미끄러운 표면 코팅 등 자연에서 힌트를 얻은 세 가지 요소를 결합함으로써 대단한 시너지를 낼 수 있었다는 게 연구진의 설명이다.

연구진은 실험과 모델에 입각한 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 이에 가장 알맞은 형상을 찾아 낼 수 있었다.

연구책임자이며 공동교신저자인 아이젠버그 교수는 생명체에서 영감을 얻은 재료과학 연구가 유행하고 있으나, 대체로 한 가지 요소씩만 모방하는 데 그쳤다면서 "우리 연구는 생명체에서 영감을 얻은 복합적인 접근이다. 여러 생물종의 다양한 특징을 함께 결합함으로써, 효율이 높고 과거에 존재하지 않았던 특성을 지니는 재료를 개발한 것"이라고 설명했다.

제1저자 겸 공동교신저자인 박규철 박사는 "이번 연구는 자연에서 발견되는 밀리미터(mm) 규모의 메커니즘에서 힌트를 얻은 것"이라며 "돌기의 기하학적 형상 자체로도 수증기 응축을 국소적(局所的)으로 촉진하는 효과가 있음을 확인했으며 세 가지 요소를 결합한 시너지를 통해 다른 방식의 표면보다 훨씬 짧은 시간에 물을 많이 모을 수 있다"고 설명했다.

그는 2008년 서울대에서 학사학위를, 2013년 매사추세츠공과대(MIT)에서 박사학위를 각각 받은 후 하버드대에서 박사후 연구원으로 일하고 있다.

제2저자인 김필석 박사는 "화력발전소나 원자력발전소에서 연료를 태워 가열한 수증기가 터빈을 돌린 후 응축기에서 다시 물로 응결되는 과정과 직접 연관이 있다"며 "이번 연구는 발전소의 열효율을 높이는 데도 적용될 수 있다"고 설명했다. 그는 하버드대 연구팀이 슬립스 기술을 상용화하기 위해 설립한 슬립스 테크놀로지스(www.slipstechnologies.com)의 공동창업자 겸 기술담당 부사장(VP)이다.