건축/환경에너지

Nikkei Architecture_2020.5.28 Topics (p56-59)

미생물로 증식하는 신재료
미국 태생의 유사 콘크리트에 뜨거운 시선

콘크리트와 같은 강도가 있는 구조 재료가 스스로 증식한다. 마치 생물과 같은 신재료가 미국 콜로라도대학의 연구실에서 탄생했다. 아직 실험 단계이기는 하지만 건축 재료의 가능성을 크게 확장시킬 것으로 보인다.

골재를 주체로 한 콘크리트와 같은 재료가 마치 생물처럼 증식한다. 말만 듣고는 바로 상상하기 어려운 신재료를 미국 콜로라도대학 연구팀이 개발, 20년 1월에 연구논문을 발표했다. ‘살아있는 건재’라고 이름 붙여진 신재료 개발을 담당한 것은 콜로라도대학 생물소재연구실을 이끌고 있는 Wil V. Srubar 박사 연구팀이다.

신재료의 핵심은 광합성을 하는 수생 미생물의 일종인 시아노박테리아(남세균)다. 식물과 마찬가지로 빛 에너지를 사용, 이산화탄소를 흡수해 탄산칼슘을 생성한다.

Srubar 박사 연구팀은 모래를 주체로 한 재료에 시아노박테리아를 첨가해 마치 생물처럼 번식이나 자기복구와 같은 기능을 지닌 재료 개발에 성공했다.

생성 방법은 다음과 같다. 우선은 시아노박테리아를 모래, 소량의 젤라틴, 물, 영양소와 섞어 37℃ 정도의 환경 하에서 박테리아를 증식시킨다.

이 혼합물을 형틀에 부으면 젤라틴은 모래 입자 사이사이를 침투해 들어간다. 모래 입자 사이에 그물처럼 퍼진 젤라틴이 모래입자와 입자를 결속시켜 한 덩어리로 만들어 나간다.

모래와 젤라틴 덩어리 속에서 시아노박테리아가 활동을 시작하면 광합성을 통해 생성된 탄산칼슘이 침전한다. 이 탄산칼슘에는 젤라틴과 반응하며 경화하는 작용이 있다. ‘Biomineralization(생체광물형성작용)’이라 불리는 반응으로, 생물이 진주나 조개껍데기와 같은 단단한 조직을 만드는 작용과 같다.

건조시켜 젤라틴 속의 수분을 증발시키면 더 단단해진다. 모래 덩어리는 형틀 모양 그대로 굳어져, 수일 내에 일반적인 포틀랜드 시멘트를 사용한 모르타르와 동일한 정도의 압축 강도를 발휘하게 된다고 한다.

-- 제조 시에 이산화탄소를 흡수 --
모래와 젤라틴, 미생물의 혼합물을 건조시키는 과정에서 대부분의 시아노박테리아는 사멸해 버린다. 그러나 살아남은 시아노박테리아는 기온과 습도가 올라가면 다시 활성화되면서 증식을 시작한다. 즉, 모레나 젤라틴 등 다른 조성물을 보충해 주면, 미생물을 새로 투입하지 않아도 동질 재료의 ‘카피’를 간단하게 만들어 낼 수 있는 것이다.

이 신재료를 이용한 블록재를 반으로 자른 경우를 상상해 보면 이해하기 쉽다. 2개의 파편을 각각 새로운 모래나 젤라틴과 함께 다른 형틀에 부으면 시아노박테리아가 증식해 2개의 블록으로 성장한다. 이러한 성질을 이용하면 부재에 균열이나 결손이 생겨도 자기복구가 가능하게 된다.

Srubar 박사는 “박테리아는 지수함수적으로 증식해 나간다. 블록재를 하나씩 타설하는 것이 아니라 하나의 블록재를 지수함수적으로 늘리면 구조 부재의 생산 방식에 혁명을 불러일으킬지도 모른다”라고 말한다.

이론 상으로는 형틀만 준비할 수 있다면 제작할 수 있는 부재의 크기에 제한은 없다. 자재 운반에 제한이 있는 우주공간 등에서는 이 성질이 크게 도움이 될 것이다.

제조 시의 환경 부하가 적은 점도 장점이다. 신소재 제조 시에 시아노박테리아가 광합성을 하기 때문에 이산화탄소를 흡수할 수 있다. 콘크리트의 재료인 일반 시멘트가 제조 시에 대량의 이산화탄소를 방출하는 것과는 대조적이다.

-- 미생물의 생존율에 주목 --
Srubar 박사 연구팀은 생물을 활용한 신재료 개발에 있어서 미생물의 생존율에 주목했다. 건설용 재료에 응용할 경우, 자기복구 기능 등을 지속시키기 위해서는 미생물이 건재 속에서 장기간 계속 생존하지 않으면 안 되기 때문이다.

기존의 자기복구 콘크리트 재료 연구에서는 시멘트 계열의 혼합물에 박테리아를 직접 추가하는 방법이 주류였다. 그러나 pH값과 이온 강도가 모두 높은 시멘트계 재료 내부는 세균이 계속 생존하기에는 상당히 가혹한 환경이다.

예를 들면, 자기복구 콘크리트의 제1인자인 네덜란드 델프트공과대학의 Hendrik Jonkers 씨가 개발, 상품화한 콘크리트에는 바실러스속 박테리아를 레디믹스트 콘크리트에 추가해 자기복구 기능을 부여한다. 건조를 비롯해 가혹한 생육 환경 하에서도 포자 모양의 외피를 쓰고 계속 생존하는 미생물이다. 그럼에도 모르타르 속에서는 10일 후의 생존율이 7%에 그친다고 한다.

그러나 Srubar 박사 연구팀이 개발한 신재료의 경우는 온도를 50% 이상으로 유지하고 있으면 당초에 투입한 시아노박테리아의 9~14%가 30일 후까지 생존한다.

개발한 신재료에서 박테리아는 구조물을 형성하는 프로세스의 중심을 담당한다. 시아노박테리아가 활성화되기 쉬운 환경을 최우선으로 배합을 선택한 것이 주효했다.

-- 생물학ⅹ재료공학 --
문제는 박테리아의 생존율과 완성한 구조체의 강도가 트레이드 오프의 관계에 있다는 것이다. 탈수에 의해 젤라틴이 단단해지면 재료로서의 강도가 증가하는 반면에 시아노박테리아의 생존에는 젤라틴 속의 수분을 유지해야만 한다.

건조한 환경 하에서도 생존할 수 있는 미생물을 사용한 새로운 배합. 이것이 개발한 재료를 건재로서 실용화하기 위해 Srubar 박사 연구팀이 제시한 다음 목표다.

Srubar 박사는 다음과 같이 전망한다. “공기 중의 독소를 감지해 반응하는 미생물이나 빛의 자극을 받아 발광하는 미생물 등을 사용하면 자기복구 이외의 생물적인 기능을 가진 콘크리트를 개발할 수 있을지도 모른다. 생물학과 재료공학의 지식을 조합하면 건재 개발의 가능성은 무한대로 확대된다”.

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