재료 과학
자연으로부터 배우기 – 잎벌레의 도움으로 빛 조작하기
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새로운 연구에 따르면, 펜실베니아 주립대학 연구원들이 이끄는 새로운 연구가 우리 뒷마당에서 흔히 볼 수 있는 잎벌레가 분비하는 작은 입자가 차세대 기술을 구축하는 데 도움이 될 수 있음을 발견했습니다.
최근 미국 국립과학원 회보(PNAS)에 발표된 이 연구에서, 연구진은 처음으로 복잡한 기하학적 구조와 그 입자가 빛을 흡수하는 방식을 정확히 복제하는 데 성공했습니다.
많은 자연 기능성 물질은 생물 표면의 필수적인 부분인 계층적 미세·나노 구조로 이루어져 있습니다. 특히 잎벌레는 브로코솜을 분비하고 이를 몸 표면에 배치 가능한 물질로 사용합니다.
브로코솜은 잎벌레가 생산하는 구멍이 뚫린 버키볼 모양의 구형 입자로, 내부가 비어 있고 나노 규모(1미터의 10억분의 1)이며, 소수성 입자입니다. 이 입자는 잎벌레가 분비하여 몸 표면에 존재합니다.
1950년대에 처음 발견된 이후 수십 년이 지났지만, 브로코솜 기하학의 기능적 의미는 아직 이해되지 않았으며, 이번 연구는 이를 변화시키고자 합니다.
펜실베니아 주립대학의 생물의공학 및 기계공학 교수인 Tak-Sing Wong이 이 연구를 이끌었습니다. 연구 결과 브로코솜의 구멍이 빛 반사를 감소시키는 데 도움이 된다는 것이 밝혀졌습니다. 이는 짧은 파장의 저역통과 반사 방지 기능을 보여주는 최초의 생물학적 사례로, 특정 짧은 파장 범위에서 반사를 줄이고 긴 파장은 통과시키는 광코팅을 의미합니다.
연구에 따르면 브로코솜의 독특한 기하학은 생물에서 영감을 받은 광학 물질(자연 구조에서 영감을 받아 정밀하게 조정되고 반응하는 물질)의 개발을 가능하게 할 수 있습니다.
이 개발은 나방 눈 효과와는 다릅니다. 나방 눈 효과는 태양광 패널, 스마트폰, 태블릿 등에 사용되는 고효율 코팅에 영감을 주었습니다. 나방의 눈은 표면의 주기적인 나노 구조 때문에 반사가 없으며, 입사광이 무작위 방향으로 산란되어 눈으로 전달됩니다.
따라서 잎벌레의 브로코솜은 코팅, 투명 망토 장치, 보다 효율적인 태양 에너지 수집 등 다양한 분야에 적용 가능한 독특한 생물 영감 광학 조작 방식을 제공합니다.
브로코솜의 복잡한 구조 복제
브로코솜의 독특한 기하학에 대한 이해가 제한되고, 다양한 잎벌레 종에서 일관되게 존재하며, 크기와 구멍이 수백 나노미터 범위에 이른다는 불확실성 때문에, 펜실베니아 주립대 연구진은 이 연구를 수행했습니다.
팀은 수년간 이 연구에 매진해 왔습니다. 2017년에는 브로코솜의 합성 버전을 처음 개발하여 그 기능을 더 잘 이해하려 했습니다.
과학자들이 오래전부터 브로코솜을 알고 있었음에도 실험실에서 이를 만드는 것은 어려운 과제였습니다. 이는 입자의 기하학적 복잡성 때문이며, 이러한 뒷마당 곤충이 왜 이렇게 복잡한 구조의 입자를 분비하는지도 알려지지 않았습니다.
몇 년 전에도 브로코솜의 움푹 들어간 부분과 분포와 같은 특징을 합성 재료로 성공적으로 모방했지만, 정확한 복제는 이루지 못했습니다. 이제 팀은 자연 브로코솜의 정확한 기하학을 20,000 나노미터 크기의 축소 형태로 처음 복제했습니다.
이제 실험실에서 이러한 복잡한 구조를 만들기 위해 연구팀은 첨단 3D 프린팅 방식을 활용했습니다. 두광자 중합(2PP) 3D 프린팅을 이용해 고충실도의 합성 브로코솜을 제작했습니다.
연구에 따르면 최첨단 3D 프린터는 200~500nm 해상도로 물체를 만들 수 있지만, 자연 브로코솜의 ~300~600nm 나노 규모 기하학을 복제하기에는 부족합니다. 따라서 팀은 스케일링 모델 기법을 사용해 미세 합성 브로코솜을 모델 시스템으로 제작했습니다.
합성 브로코솜과 그 구멍은 각각 약 20µm와 5µm 직경으로 설계되어 3D 프린터의 해상도보다 크게 만들었습니다. 결과 구조는 12개의 오각형 구멍과 20개의 육각형 구멍이 중공 코어를 통해 연결되었습니다. 껍질 두께는 전체 직경의 7%였으며, 구멍 벽 두께는 20%로 자연 브로코솜을 모방했습니다.
제작된 샘플은 HCP 격자에서 20×20 배열의 합성 브로코솜으로 구성되어 약 91%의 포장 밀도를 달성했습니다. 구멍이 없는 대조 샘플도 제작되었습니다.
팀은 이후 브로코솜의 광학적 형태와 기능의 관계를 조사했으며, 계층적 기하학이 좁은 크기 범위와 구멍 구조를 통해 빛 반사를 크게 감소시킨다는 것을 확인했습니다.
다양한 파장의 적외선과 브로코솜의 상호작용을 조사하기 위해 연구진은 마이크로 푸리에 변환 적외선(FTIR) 분광기를 사용해 구조가 빛을 어떻게 조작하는지 이해했습니다.
실험실에서 만든 입자는 최대 94%까지 빛 반사를 감소시킬 수 있음이 밝혀졌으며, 이는 자연계에서 중공 입자를 이용해 이렇게 빛을 제어한 사례가 처음이라는 점에서 큰 의미가 있습니다.
이 발견은 또한 잎벌레가 브로코솜 갑옷으로 자신을 코팅해 포식자를 피하기 위해 위장한다는 강력한 가능성을 제시합니다. 이는 이전에 제시된 오염물과 물을 방지한다는 이론과는 다릅니다.
또한 팀은 중공의 버키볼 형태와 구멍 크기가 자외선(UV) 흡수와 가시광선 산란이라는 두 가지 역할을 수행한다는 것을 발견했습니다.
흥미롭게도 이 크기는 곤충의 몸 크기와 무관하게 잎벌레 종 전반에 걸쳐 일관된 것으로 나타났습니다. 브로코솜의 직경은 약 600나노미터이며, 구멍은 약 200나노미터입니다.
이 일관성은 UV 시각을 가진 새와 파충류 같은 포식자에게 가시성을 감소시키며, 구멍 크기에 의해 UV 빛을 흡수합니다. 또한 가시광선의 산란은 잠재적 위협에 대한 반사 방지 보호막을 형성합니다.
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놀라운 잠재적 응용 분야
해군 연구소의 지원을 받아, 이 연구는 구조의 복잡성에 대한 해답을 찾았으며, 이 구조가 광대역 빛 산란을 강화하도록 설계되었음을 보여주었습니다. 또한 구멍은 짧은 파장의 저역통과 필터 역할을 하여 빛 반사를 더욱 감소시켰습니다.
이러한 효과로 브로코솜은 광대역 파장 범위에서 80%에서 94%까지 정반사 감소를 달성할 수 있습니다. 연구의 주 저자인 기계공학 박사후 연구원 Lin Wang은 “이것이 기술 혁신에 매우 유용할 수 있다”고 말했습니다.
표면에서 빛 반사를 조절하는 새로운 방법은 과학자들이 기계와 인간의 열 신호를 숨길 수 있게 합니다. Wang은 언젠가 잎벌레의 기술을 활용해 자체적인 열 투명 망토를 만들 수 있을 것이며, 이는 군사 및 감시 분야에 큰 가능성을 제공한다고 추정합니다.
“우리의 연구는 자연을 이해하는 것이 현대 기술을 개발하는 데 어떻게 도움이 되는지를 보여줍니다.”
– Wang
이 연구 결과의 잠재적 적용 분야로는 햇빛 손상으로부터 보호하고 피부암 위험을 줄이는 고급 자외선 차단제, 광에 의해 손상되는 의약품을 보호하여 효능과 내구성을 향상시키는 코팅 등이 있습니다. 연구자들은 또한 이 지식이 보다 효율적인 태양 에너지 수집 시스템 개발로 이어질 수 있다고 언급했습니다.
팀이 자연 브로코솜의 정확한 복제물을 성공적으로 만들었지만, 작업은 아직 끝나지 않았습니다. 다음 단계에서는 합성 브로코솜의 제작을 개선해 자연 브로코솜과 크기를 더욱 가깝게 맞추는 데 집중할 것입니다.
팀은 또한 합성 브로코솜을 정보 암호화와 같은 추가 응용 분야에도 탐구할 예정입니다. 브로코솜의 복잡한 구조는 특정 파장의 빛에서만 데이터가 보이는 암호 시스템에 통합될 수 있어 안전한 통신을 가능하게 합니다.
Wang에 따르면, 이 연구는 자연에서 영감을 얻는 가치가 있음을 보여주며, 자연은 과학자들이 새로운 첨단 재료를 개발하는 데 훌륭한 교사였다고 말합니다.
잎벌레는 많은 곤충 종 중 하나에 불과하며, 이는 시작에 불과합니다. “더 많은 놀라운 곤충들이 물질 과학자들의 연구를 기다리고 있다”는 Wang의 기대에 따라, 이러한 연구는 “다양한 공학 문제를 해결하는 데 도움이 될 것”이라고 전망합니다.
연구진은 이 작업에 대해 미국 임시 특허를 출원했으며, 카네기 멜론 대학 기계공학 박사과정 학생 Zhuo Li와 기계공학 교수 Sheng Shen도 기여했습니다.
성공적인 자연 역공학에서 영감을 받은 제품
이 연구는 자연으로부터 배우는 것이 큰 함의를 가지고 있음을 보여줍니다. 그러나 이는 새로운 현상이 아니며, 인간은 고대부터 자연에 영감을 받아 왔습니다.
역사적으로 고대 그리스인들은 건물을 황금비에 맞추어 설계했습니다. 19세기 콜로라도의 스페인 정착자들은 콜럼비아 땅다람쥐 굴의 깊이를 이용해 지상에 집을 지었습니다. 최근 과학자들은 바퀴벌레와 같은 곤충의 균형 시스템을 역공학하여 보다 안정적인 로봇을 설계했습니다.
특히 도마뱀은 로봇 공학 분야에서 큰 영감을 주었습니다. 워털루 대학 엔지니어들은 도마뱀과 지렁이의 효율적인 이동 능력을 연구해 언젠가 의사가 수술을 수행하는 데 도움이 될 작은 로봇을 만들었습니다.
막스 플랑크 그룹은 도마뱀의 강력한 착지에서 얻은 통찰을 활용해 로봇 항공기의 착륙을 보다 정교하게 만들고자 합니다. NASA도 도마뱀 접착 기술을 국제우주정거장에서 시험하고 있습니다. 한편 보스턴 다이내믹스의 RiSE 로봇은 도마뱀 영감을 받은 발을 통해 자연의 뛰어남이 놀라운 발명과 제품에 어떻게 활용될 수 있는지를 보여줍니다.
그럼, 자연에서 영감을 받아 제품을 설계·개발한 몇몇 회사를 살펴보겠습니다:
#1. Velcro Industries
1941년, 스위스 엔지니어이자 기업가인 George de Mestral은 자신과 개에게 붙어 있던 가시덩어리에서 영감을 받아 Velcro를 발명했습니다. 현미경으로 가시덩어리를 관찰한 결과, 작은 갈고리와 천 루프가 가시덩어리를 표면에 단단히 부착시키는 간단하면서도 기발한 메커니즘을 발견했습니다. 이를 바탕으로 그는 가시덩어리 구조를 잠재적인 고정 장치로 복제했습니다.
Velcro의 ALFA-LOK 브랜드 패스너는 버섯의 독특한 구조에서 영감을 얻은 또 다른 예입니다. 이 패스너는 버섯 갓 모양의 작은 갈고리를 특징으로 하며, 각 갈고리 상단에 캡이 있어 견고한 잠금을 형성합니다.
Velcro가 말하듯 자연에서 영감을 얻은 결과, 유아용 기저귀를 확보하고, 달 탐사에 기여했으며, 2,000건 이상의 특허를 창출했습니다. 오늘날 Velcro는 일반 명사가 되었으며 컴퓨팅, 의료, 자동차 산업 등 다양한 분야에서 사용되고 있습니다.
#2. Sharklet Technologies
이 회사는 박테리아와 미생물의 증식을 억제하는 표면을 개발하여 의료 환경에 적용하고 있습니다. 강한 화학물질이나 항생제에 의존하는 대신, 이러한 표면은 자체 구조에서 항균성을 얻습니다.
이 표면은 상어 피부의 질감을 모방한 미세한 패턴 코팅을 특징으로 합니다. 높이 약 3마이크론, 폭 2마이크론으로 눈이나 손가락으로는 감지되지 않습니다. 회사는 Sharklet 마이크로패턴의 여러 변형을 개발했으며, 양성 패턴은 표면에서 돌출되고, 반대 패턴은 재료 표면에 함몰됩니다.
이 패턴은 2002년 재료 과학 및 공학 교수인 Anthony Brennan 박사가 선박과 잠수함 선체에 조류가 붙는 문제의 해답을 찾으면서 탄생했습니다. 전자현미경으로 상어 피부의 인상을 관찰한 결과, 작은 리블릿이 다이아몬드 패턴으로 배열되어 미생물의 정착을 방지한다는 것을 발견했습니다.
#3. BioMASON
인프라 분야에서 이 회사는 바이오모방을 활용해 시멘트를 생산하고 있으며, 시멘트는 전 세계 이산화탄소 배출량의 8%를 차지합니다. 시멘트 수요가 증가함에 따라 건설의 기후 영향을 줄이기 위해 BioMASON은 시멘트 생산 방식을 변화시켰습니다.
이 회사는 기술을 다른 기업에 제공하며, 자연에서 가장 견고하고 지속 가능한 구조 중 하나인 산호초에서 영감을 얻었습니다. 조개와 산호초에서 칼슘 탄산염이 자연적으로 형성되는 방식을 모방해, BioMASON은 석회석을 가열해 탄소를 추출하는 대신 유사한 공정을 통해 바이오시멘트를 제조합니다.
현재는 바이오모방을 활용해 건축용 강하고 지속 가능한 재료를 만들고자 합니다. 광산 폐기물에서 나온 골재를 포함하고, 미생물을 결합제로 사용하며, 청소 후 햇빛 열을 이용해 건조합니다. 이 회사는 국방부 고등연구계획국(DARPA)으로부터 엔지니어링된 살아있는 해양 시멘트 개발을 위한 자금을 확보했습니다. 또한 Project MEDUSA는 미생물을 이용해 외딴 지역에 군용 수준의 활주로와 구조물을 건설하는 것을 목표로 진행 중입니다.
결론
Wang이 말했듯이, 잎벌레와 다른 곤충들은 “벌레가 아니라 영감이다.” 수년간 과학자들은 자연을 연구하고 이를 제품 설계에 활용해 왔으며, 위에서 언급한 바와 같습니다. 지속적인 연구와 유망한 결과, 그리고 다중 스펙트럼 위장, 광학 암호화, 전방향 반사 방지 코팅 등 분야에의 적용을 통해, 반사 방지 잎벌레 브로코솜과 같은 연구는 많은 기술 발전을 이끌고 다양한 산업에 큰 변화를 가져올 수 있습니다.
