wikipidia 연기를 고체로 만들면 이런 모습이 될까요? 얼음 연기(frozen smoke) 혹은 푸른 연기(blue smoke)로 불리는 이 물질은 고체인 동시에 반투명한 거품 물질입니다. 고체를 구성하는 요소의 약 99.8%는 공기입니다. 세상에서 가장 가볍고 가장 신기한 고체 에어로젤(aerogel)을 소개합니다.고추는 맵고 가벼운 고체가 잘 유지된다
에어로겔 2g 위의 2.5kg렝가 ↗ wikipidia
에어로젤은 공기를 뜻하는 에어로(aero)와 고체화된 액체를 뜻하는 젤(gel)의 합성어입니다.
에어로젤은 머리카락의 1만분의 1 굵기인 SiO2(실리콘 산화물) 소재의 실이 매우 얽혀 있는 구조로 그 틈에 공기 분자가 갇혀 있습니다. 이러한 공기 분자는 전체 에어로겔의 약 99.8%를 차지하고 있지만, 이는 빈 용량이라고 볼 수 있기 때문에 여기에 연료와 전자를 넣을 수 있는 것입니다. 매우 가벼워 충격을 잘 흡수합니다. 같은 부피의 공기와 비교하면 불과 3배 정도 무거울 뿐입니다. 한 부분에 집중해서 힘을 가하면 유리처럼 산산조각이 나지만 힘을 분산해서 누르면 내 몸의 1,000배가 넘는 무게도 가볍게 견뎌냅니다. 손바닥 크기의 에어로젤 4개 위에 차를 올려 놓아도 부서지지 않을 정도입니다.
무거운 것만 잘 견디는 건 아니에요. 열과 물, 소리를 차단하는 능력도 뛰어나죠. 특히 심한 온도변화에도 빠른 적응력을 보여줍니다. 산업계에서 가장 많이 사용하는 단열재인 유리섬유, 스티로폼, 폴리우레탄폼보다 3배나 뛰어난 단열성을 가진 것으로 알려져 있습니다. 무려 섭씨 1000도가 넘는 온도 변화에도 견딜 수 있다던데요? 항공 우주, 건축, 나노 소재 등 다양한 분야에서 에어로젤에 주목하는 이유입니다. 2002년 타임지가 올해의 발명품으로 에어로젤을 선정하고, 같은 해 기네스북이 세계에서 가장 가벼운 고체로 공식 인증한 이후 많은 사람들의 눈이 이 신소재에 쏠렸습니다. 20세기가 플라스틱의 시대라면 21세기는 에어로젤의 시대가 될 것이라고 할 정도입니다.
우주의 기원을 밝히는 데 사용된 에어로젤
에어로젤의 역사는 생각만큼 짧지 않아요 1931년 미국의 화학공학자 스티븐 키슬러가 처음 발견했죠. 이 거품과 같은 고체는 가벼운 무게나 열, 전기, 소리, 충격 등을 차단하는 효과를 얻어 탄생부터 많은 기대를 받았습니다. 그러나 초기에는 손바닥만한 에어로젤을 만드는데 3일 이상이 걸렸고, 손가락으로 가볍게 눌러도 깨질 정도로 약해 실용화에 어려움을 겪었습니다.
에어로젤의 약한 강도, 긴 제조 시간, 높은 비용을 해결하기 위해 세계의 과학자들이 협력해 주었습니다. 하지만 성과를 내기까지 오랜 시간이 필요했습니다. 1970년대 들어 산소와 로켓 연료의 저장 재료 개발 과정에서 고순도의 에어로젤을 합성할 수 있는 공정이 개발됐는데요. 1980년대 들어 에어로젤 실용화 연구가 경쟁적으로 이뤄지면서 개발 당시의 단점을 하나씩 극복하기 시작했습니다.
2003년 한국인 공학자 이강필 박사가 초절연 자유 변형 에어로젤 개발에 성공하며 새 시대를 열었습니다. 특수섬유를 첨가해 잘 깨지지 않고 1100℃에서도 타지 않는 에어로젤을 만드는 기술을 개발했죠. 세계 최초의 에어로젤 상용화를 시작해 미국 항공우주국(NASA) 케네디우주센터에 공급했습니다.
ⓒ wikipidia
에어로젤을 부착하여 우주 물질 채집에 성공한 우주선도 있습니다. ‘스타더스트’호입니다
스타더스트는 우주의 기원을 밝히기 위해 쏘아올린 탐사선으로 혜성의 꼬리 속으로 들어가 우주의 먼지를 수집하는 임무를 맡았습니다 임무를 수행하기 위해서는 270℃ 우주에서 총알의 10배 속도로 날아오는 알갱이를 모아야 했습니다. 그리고 2006년, 스타더스트는 혜성 빌트 2 (Wild 2)에서 흘러나오는 물질을 수집하는 데 성공했습니다. 이것은 세계에서 가장 가벼운 고체인 에어로겔이 있었기 때문에 가능했던 것입니다.
꿈의 신소재로 뭘 만들어볼까요?
왼쪽 미국 로스앤젤레스 캘리포니아대/오중국하얼빈공대 w wikipidia
과학자들은 아직도 에어로젤의 무한한 가능성을 개발 중입니다.
지난해 미국 로스앤젤레스 캘리포니아대와 중국 하얼빈공대 공동연구팀은 세라믹을 활용한 새로운 에어로젤 개발에 성공했다는 소식을 전해 세계를 놀라게 했습니다. 수많은 과학자들이 꿈꾸었던 경지에 이르렀다는 평이 뒤따릅니다.
ⓒ wikipidia
실험 결과, 새로운 에어로젤은 1주일간 1400℃의 온도를 가해도 문제가 없었지만. 신소재 위에 꽃잎을 올려놓고 아래에서 500℃의 화염을 가해도 꽃잎 위에 아무런 손상도 주지 않을 정도의 단열성을 확인했습니다. 연구진은 이 물질의 구조를 “세라믹 소재인 육각형 질화붕소 분자가 벌집처럼 이어진 얇은 막 사이에 공기가 들어 있는 형태”라고 소개합니다. 겨울에 이중창이 단열효과를 낼 수 있도록 공기를 포함한 이중층 구조가 열전달을 막아준다는 설명입니다.
기존의 세라믹 에어로젤은 단열 효과가 우수해도 갑작스러운 온도 변화가 일어나면 쉽게 망가지는 문제가 있었습니다. 그러나 새로운 세라믹 에어로젤은 섭씨 영하 198도에서 영상 900도까지 급격한 온도 변화를 일으켜도 태연했습니다. 이런 과정을 500번 반복하고도 참았습니다. 열을 가하면 팽창하는 기존의 세라믹 소재와는 달리 이 신소재는 오히려 수축해서 더 강하게 견딜 수 있다고 합니다.
항상 더 강해지는 에어로젤은 새로운 미래를 만들고 있습니다.항공우주 분야는 물론 군사, 건축, 전기 전자 분야의 패션까지 다양한 활용법이 제시됐습니다. 에어로젤을 소재로 방화복이나 신발이 제조되고 있습니다. 하지만 아직 무한한 미지의 영역이 남아있습니다. 굉장히 가볍고 믿을 수 없을 정도로 강한 신소재로 무엇을 만들면 좋을까요? 여러분의 상상력을 더해보세요.
[참고자료] 미래를 바꾸는 신소재 에어로젤 가천대학신문 [신동립잡기노트] 미국 우주과학 이강필에게 경례, 뉴시스 [Science] 지구상에서 가장 가벼운 고체 에어로젤을 아시나요? 한국경제 [IF] 공기만큼 무게가 가벼워 1400도에도 끄떡없이 조선일보 화성 정복을 실현해 줄 미래 소재, 실리카 에어로젤, 모두의 과학 공기처럼 가벼운 고체, 미래 신소재 에어로겔, 비즈온 고체인데 공기가 99.8% 네 이름은?우주선도 지키는 꿈의 신소재 우주먼지 흡입 에어로겔 지구서 활약
