August 19,2019

소금기 거르는 ‘탄소나노튜브’ 개발

생물의 '수분통로' 원리 이용

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과학자들이 사람 머리카락보다 더 가느다란 탄소 나노튜브(CNT carbon nanotube)를 개발했더니 바닷물에서 소금도 걸러낼 수 있음을 발견했다. 연구팀은 미래에는 이 원리를 이용해서 바닷물을 마시는 물로 바꿔주는 담수화(淡水化) 공장에 사용될 것으로 전망했다.

미국 로렌스리버모어국립연구소 (Lawrence Livermore National Laboratory) 과학자들은 노스이스턴대학(Northeastern University) 연구팀과 공동으로 직경 0.8 나노미터의 아주 작은 ‘탄소나노튜브’를 개발했다. 1나노미터는 10억분의 1미터이다.

탄소 원자를 매우 특이하게 배열한 이 탄소 나노튜브는 사람 머리카락의 5만분의 1정도로 매우 얇다. 이 탄소 나노튜브의 안쪽 표면은 엄청나게 부드러워서 물을 매우 빠르게 통과시키는데 동시에 이렇게 작은 구멍은 이온의 이동을 봉쇄한다.

탄소 나노튜브를 통해 물 분자가 이동하는 모습을 표현한 개념도 ⓒ LLNL

탄소 나노튜브를 통해 물 분자가 이동하는 모습을 표현한 개념도 ⓒ LLNL

세계적으로 약 40억명에게 부족한 식수를 해결하기 위해서는 바닷물에서 소금을 걸러내는 담수화 공장을 세우지만, 엄청난 시설과 많은 비용이 들어간다.  현재 바닷물 정수는 물을 걸러내는 생물학적 단백질로 이뤄진 멤브레인을 이용한다.

1나노미터 보다 좁아야 정수작용 뛰어나   

이같은 내용은 ‘사이언스’ 24일자에 발표됐다. 논문의 공저자이면서 로렌스리버모어연구소 박사 후 과정 연구원인 라미아 투누군틀라(Ramya Tunuguntla) 박사는 “1나노미터(nm) 보다 적은 직경의 탄소 나노튜브가 정수의 가장 중요한 구조임을 발견했다.”고 말했다.

투누군틀라 박사는 “이렇게 좁은 소수성 (疏水性, hydrophobic)통로는 물을 일렬로 이동하게 한다. 이것은 동식물 내부에서 물을 수송하는 단백질인 ‘수분통로’(aquaporin)에서 일어나는 현상과 유사하다”고 말했다.

컴퓨터 시뮬레이션과 실험에 따르면 지름이 1나노미터를 넘는 탄소 나노튜브를 이용해서 물을 통과시키면 물 흐름이 빨라진다. 그러나 ‘수분통로’에서 보는 것 같은 효율적인 물 수송이 이뤄지지 않으며, 소금을 효율적으로 분리하지 않았다.

로렌스리버모어 연구팀이 달성한 기술적인 돌파구는 자연상태의 수분통로보다 효과가 뛰어난 더 작은 직경의 탄소 나노튜브를 개발한 점이다.

공동저자이며 노스이스턴대학 물리학과 교수인 메니 와누누(Meni Wanunu)교수는 “이번 연구는 물 이동메커니즘의 자세한 내용을 밝혀준 것으로 멤브레인의 효율을 높이려면 어떻게 해야 하는지 보여준다”고 말했다.

시니어 저자인 알렉스 노이(Alex Noy)캘리포니아대학 교수는 “탄소 나노튜브는 분자 이동과 나노유체학을 연구하는데 매우 특이한 플랫폼”이라고 말했다. 특히 1나노미터 이하의 작은 사이즈와, 부드러운 표면 및 물 분자 수송통로 등은 정수하기 좋은 조건이다.

노이 박사는 “자연적인 물 통로보다 더 잘 작동하는 인공적인 물 통로를 만들어주는 것은 대단히 흥미로운 일”이라고 말했다.

과학자들의 이번 발견은 차세대 정수기술이 어떤 방향으로 나아갈지를 보여주는 것으로서, 차세대 멤브레인 개발에도 영향을 미칠 것으로 것으로 전망된다.

연구팀은 탄소나노튜브를 리용하면 물 수송속도가 자연상태 보다 대략 6배나 빠르다고 말했다. 이 탄소나노튜브는 물에서 이온을 걸러주기 때문에 앞으로 바닷물을 마시는 물로 정수하는 역할을 할 것으로 기대된다.

인체는 물을 이동시킬 때 수분통로에 있는 멤브레인을 통해서 이온을 걸러내서 세포가 건강을 유지하도록 도와준다. 수분통로는 0.3 나노미터 밖에 안되는 아주 좁은 통로로 물분자를 이동시킨다. 노이는 더버즈(The Verge)와의 인터뷰에서 “수분통로는 정말 작기 때문에 걸러주는 역할을 한다”고 말했다.

바닷물을 걸러주는 탄소나노튜브의 예술적인 개념도 ⓒ LLNL

바닷물을 걸러주는 탄소나노튜브의 예술적인 개념도 ⓒ LLNL

그러나 수분통로는 인공 필터에서는 사용할 수 없다. 왜냐하면 단백질이 너무나 약하고 재생하기가 어렵기 때문이다. 그래서 노이 교수와 연구자들은 아주 강한 탄소 나노튜브를 사용하기로 했다.

인공적인 이 탄소나노튜브는 직경이 0.8나노미터 밖에 안되므로, 식물에 있는 수분통로처럼 물 분자를 일렬로 정렬시켜 나르는데, 자연계 수분통로보다 속도가 6배나 빠르다.

추가적인 실용화 연구 필요    

탄소 나노튜브는 앞으로 바닷물에서 소금기를 걸러내고 신선한 물로 바꿔주는 인공적인 멤브레인을 만드는데 사용될 수 있다. 왜냐하면 탄소나노튜브는 아주 강하고 효과적이기 때문이다.

노이 교수는 탄소나노튜브를 실제 정수에 사용하기 위해서는 “더욱 강력하고 규모를 키워야 한다”고 말했다. 동시에 실제 소금물을 가지고 실증 실험을 거쳐야 한다.

노이 교수는 “내일 당장 두바이의 담수화 공장에 이용될 수 있는 인공 멤브레인을 만들 수 있다고 생각하지는 않는다. 거기까지 가려면 아직도 갈 길이 멀지만, 그러나 물리학은 가능하게 할 것”이라고 전망했다.

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