<사진. KISTI 미리안 사진자료
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>
잠수함 공기를 정화시키는 새로운 나노물질
미국 해군 잠수함에는 약 120명의 사람들이 숨을 쉬고 있지만 잠수함 내에는 공기로부터 이산화탄소를 잡아내는 환기 시스템이 구축되어 화학적으로 산소로 촉매반응시킨 후 재순환시키기 때문에 숨이 막히거나 하는 느낌이 없다. 이러한 반응의 기본에 탄소나노 물질이 사용되고 있다. 이산화탄소를 제거하는데 사용되는 화학물질은 황이 혼합된 오래된 디젤과 같은 냄새가 나며 사람들이 탑승한 동안에 이 냄새가 의복에 배기 때문에 의복을 세탁하는 가정에서도 식구들은 황을 제거하는데 사용하는 아민이라고 불리는 화학물질의 냄새를 맡게 된다. 그러나 새로운 이산화탄소를 잡는 나노재료는 가장 냄새가 독한 잠수함의 냄새를 없앨 수 있게 해준다. 이산화탄소를 결합하는 분자들은 모래 낱알 크기의 기공을 가지고 이산화탄소를 흡수하게 된다.
액체인 아민과는 달리 새로운 재료는 모래와 같다. 사실 공기 중에서 선택적으로 이산화탄소를 잡아내는 분자로 채워진, 작은 기공으로 덮여있는 것을 제외하고는 모래와 같다. 모래알과 분자들은 메조기공 지지체 위에 자가 조립된 단일층(Self Assembled Monolayers on Mesoporous Supports: SAMMS)으로 불려진다. 이 재료는 아주 작은 양이라도 믿을 수 없을 정도로 많은 이산화탄소를 흡수하는 특성이 있는 기공을 가지는데 작은 숟가락 분량의 재료가 축구장과 같은 표면적을 가지며 또한 가역적이다. “약간의 열을 가하면 분자는 다시 열려 이산화탄소를 내보내기 때문에 이 재료를 계속하여 사용할 수 있다”고 SAMMS에 대한 연구를 하고 있는 퍼시픽 노스웨스트 국립실험실의 기술자인 Ken Rappe는 말한다,
많은 다른 종류의 SAMMS가 있으며 각각은 특별한 분자들에 결합하도록 디자인되어 있다, 이들은 원래 산업 폐증기에서 수은 및 다른 오염물질들을 제거하는데 사용되게 디자인된 것이라고 Rappe는 말한다. 이 재료가 이산화탄소와 결합하는 특성은 10년 전에 한 과학자가 유리 내에 한 시료를 떨어뜨렸다가 우연히 발견하게 되었다, 재료는 쉬 하는 소리를 내기 시작하였고 몇 번의 실험에 의해 이 소리는 물이 저장된 탄소를 녹이는 소리라는 것을 알게 되었다. 한때 이산화탄소의 포획과 저장은 관심 있는 연구 분야가 아니었지만 (이외에도 SAMMS는 차가운 이산화탄소를 잡을 수 있고 화력발전소의 증기나 자동차의 배기가스는 너무 뜨거워 잡을 수 없다) 연구원들은 이제 이 연구 분야가 중요하다는 것을 알게 되었다.
아민은 다루기 어려운 것은 아니지만 부식성이 매우 크고 스테인리스 스틸로 만들어지지 않은 재료는 무엇이든지 부식시킨다. 이는 아민을 저장하는데 큰 어려움이 있으며 이산화탄소로 포화되는 경우에는 언제든지 아민을 이동시켜야 하는 문제가 있다. 모래와 같은 특성을 가진 이 재료는 특별한 저장이 필요하지 않다. “액체에서 고체로 바꾸면 펌프와 탱크와 같은 부수적인 물질들이 필요 없어진다”고 필라델피아에 있는 해군 표면 복지 센터 Carderock 부서(Naval Surface Warfare Center Carderock Division: NAVSSES) 해군 엔지니어링 기지의 기술자인 Jay Smith는 말한다. 그는 SAMMS에 기반을 둔 대체물을 실제 사용하였다. “이 재료는 보다 안전하고 보다 친환경적으로 제거할 수 있다”고 그녀는 말한다.
잠수함에서 생명을 지지하는 장비를 바꾸는 것은 장비의 어느 한 부분을 바꾸는 것이라고 할지라도 쉬운 일이 아니다. Rappe와 그의 연구 동료들은 몇 년 동안 이 재료를 해군에 사용하기 이전에 특성을 향상시키는 연구를 수행하였다. 그들은 특별히 잠수함에 사용하기 위해 고안된 SAMMS 환기 시스템 프로토타입을 시험하였고 이 프로토타입은 현재 실험실의 시뮬레이션 공기 조건에서 내구성 시험 중에 있다. 앞으로 함대에 연계된 잠수함에 이 재료가 실제로 사용될 수 있다. 또한 SAMMS 기술은 이미 작은 규모의 시험 유닛으로 해상에서 성공적으로 평가가 완료되었다고 Smith는 말한다.
■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr