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기획·칼럼

현대 건축 재료 ‘콘크리트’의 진화

[사이언스타임즈 라운지] 자가 치유에 이어 자가 재생 가능

유럽의 전통 건축물은 주로 석조로, 동아시아는 목조로 지어졌다. 당시 그 지역에서 구하기 쉬웠던 재료였기 때문이다. 하지만 현대 건축 재료는 전 세계 어디를 가나 거의 동일하다. 바로 콘크리트다.

콘크리트는 집과 건물을 비롯해 도로와 다리 등 사회간접자본에 없어서는 안 될 건축 재료가 되었다. 한 조사에 의하면 전 세계 구조물의 80%가 철근콘크리트 구조로 지어진다고 한다.

콘크리트는 저렴하고 간편하면서도 강도 및 내구성이 높다는 장점을 지닌다. 그러나 콘크리트에도 여러 가지 단점이 존재한다. 대표적인 것이 균열이 생기기 쉽다는 점이다. 아무리 잘 만든다 해도 오랜 시간이 흐르면 콘크리트는 자연적인 균열이 일어나기 때문에 정기적으로 메워줘야 한다.

미국 콜로라도대학 연구진은 시아노박테리아를 이용해 자가 재생이 가능한 시멘트를 만드는 데 성공했다. ⓒ College of Engineering & Applied Science, University of Colorado Boulder

미국 콜로라도대학 연구진은 시아노박테리아를 이용해 자가 재생이 가능한 시멘트를 만드는 데 성공했다. ⓒ College of Engineering & Applied Science, University of Colorado Boulder

이 문제를 해결하기 위해 최근 과학자들은 자가 치유 콘크리트를 개발하고 있다. 자가 치유 콘크리트란 말 그대로 고장이 났을 때 스스로 보수하는 콘크리트다. 그런데 살아 있지 않는 무생물이 스스로 치유하기란 불가능하다.

때문에 자가 치유 콘크리트는 박테리아나 곰팡이 같은 미생물을 이용한다. 콘크리트 안에 곰팡이 포자나 혹은 특수 박테리아가 가득 찬 조그만 캡슐을 넣어두는 방식이다. 곰팡이 포자나 특수 박테리아는 오랜 시간 산소나 물이 없어도 콘크리트 안에서 생존할 수 있다.

그러다 균열이 발생해 그 틈으로 물과 산소가 공급되면 곰팡이와 박테리아가 먹이를 먹고 활동하며 시멘트의 주원료인 탄산칼슘 등을 만들어낸다. 이때 만들어지는 탄산염 광물은 규칙적인 결정을 이루어 콘크리트의 갈라진 틈을 메우게 된다.

극한의 환경에서도 살아남는 시아노박테리아

아직 실용화되진 않았지만 미국 연구진은 곰팡이를, 영국 연구진은 박테리아를 이용해 자가 치유 콘크리트 개발 연구를 진행 중이다. 만약 이 기술이 실용화된다면 지금보다 훨씬 강하고 안전한 건축물을 지을 수 있음은 물론 도로 위의 폭탄이라고 불리는 포트홀 사고도 예방할 수 있다.

포장도로의 표면 일부가 부서지거나 내려앉아 생기는 포트홀은 차량이 지나는 도로에 주로 생기므로 사고를 유발할 위험성이 높다. 특히 인도의 경우 포트홀 사고로 숨지는 사람만 해도 매년 1만 3000여 명에 달해 테러 사망자보다 포트홀로 숨지는 사람이 더 많다고 밝힐 정도다.

그런데 최근 새로운 개념의 미생물 함유 콘크리트가 개발돼 주목을 끌고 있다. 미국 콜로라도대학의 재료과학자 윌 스루바르 연구팀이 시아노박테리아를 이용해 끈적한 모래 혼합물을 단단한 벽돌로 변형시킨 것은 물론 복제물을 만드는 데 성공한 것. 이 연구 결과는 국제학술지 ‘매터(Metter)’ 최신호에 발표됐다.

시아노박테리아는 고온 및 저온, 염분, 습도 등 극한의 환경조건에서도 살아남는 것으로 잘 알려진 미생물이다. 광합성을 하는 이 미생물은 햇빛과 영양분, 이산화탄소를 흡수해 조개껍질 및 시멘트의 성분인 탄산칼슘을 만들어낸다.

연구진은 인공 해수와 기타 영양소를 넣은 수조에서 배양한 시아노박테리아를 30℃의 따뜻한 온도로 가열한 후 그 액체를 젤라틴 및 모래와 결합시켰다. 이 혼합물을 냉각시키면 젤라틴이 강화되기 시작하면서 더 많은 박테리아의 성장을 지원하는 임시 구조물이 생성된다.

기하급수적인 재생 가능해

그러면 시아노박테리아는 이 구조물 전체에 탄산칼슘을 뿌려서 끈적한 상태의 모래를 제자리에 고정시키는 단단한 광물질로 바꾸어 버린다. 이 새로운 건축 재료의 장점은 기하급수적인 재생이 가능하다는 점이다.

즉, 완성된 벽돌을 반으로 쪼개서 시아노박테리아가 들어 있지 않은 젤라틴과 모래에 넣으면 벽돌 속의 박테리아가 성장해 새로운 벽돌을 만드는 것이다. 즉, 벽돌 하나가 2개로, 그것이 다시 4개가 되는 식이다.

이론적으로 그 과정이 영구적으로 진행될 수 있는데, 연구진은 하나의 부모 세대에서 최대 3세대의 자식 세대가 재생성될 수 있음을 확인했다고 밝혔다.

하지만 이 새로운 건축 재료는 아직까지 보완해야 할 점이 많다. 무엇보다 강도가 기존의 벽돌이나 콘크리트처럼 강하지 않다는 점이다. 연구진은 벽돌을 더 강하게 만들기 위해 모래 이외의 재료를 실험할 계획이라고 밝혔다.

만약 이 콘크리트가 실용화된다면 사막에 위치한 군사 시설이나 외계행성의 인류 정착지처럼 자원이 제한된 환경에서도 건축 자재를 반복적으로 복제해 건축물을 마음대로 지을 수 있다.

또한 시아노박테리아 대신 유전자공학으로 만든 박테리아를 사용할 경우 공상과학물에서 등장할 만한 흥미로운 건물을 지을 수도 있다. 예를 들면 대기 중의 독소를 감지하고 색을 변화시키거나 특정 유형의 빛에서 형광을 발하는 박테리아가 바로 그것이다.

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