공기 중에서 수동적으로 물을 추출할 수 있는 신소재 개발

 (blog.seas.upenn.edu)
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  • Penn Engineering 연구진이 외부 에너지 없이 공기 중 수분을 기공에 모은 뒤 표면 물방울로 내보내는 나노구조 재료 계열을 발견함
  • 핵심은 친수성 나노기공과 소수성 폴리머를 결합한 양친매성 나노다공성 구조로, 낮은 습도에서도 기공 안에서 모세관 응축이 일어남
  • 일반 나노다공성 재료와 달리 물이 기공에 머무르지 않고 표면으로 이동하며, 막이 두꺼울수록 수집된 물의 양도 늘어남
  • 표면 물방울은 빠르게 증발할 것이라는 예측과 달리 오래 유지됐고, 기공 아래의 숨은 저장소가 공기 중 수증기로 계속 보충되는 구조로 해석됨
  • 건조 지역의 수동 물 수집, 전자기기·건물 냉각 표면, 습도 반응형 스마트 코팅으로 이어질 수 있지만 성분 균형 최적화와 대면적화가 남아 있음

우연한 물방울에서 시작된 발견

  • Penn Engineering 화학공학 연구실에서 친수성 나노기공과 소수성 폴리머 조합을 테스트하던 중, 실험 재료 표면에 물방울이 생김
  • 원래 목표는 물 수집이 아니었지만, 예상 밖의 현상이 반복되면서 연구진이 원인 분석에 들어감
  • Science Advances에 실린 연구는 공기 중 수분을 포집해 표면으로 방출하는 양친매성 나노다공성 재료를 다룸
  • 연구팀에는 Penn Engineering의 Daeyeon Lee, Amish Patel, Lee 연구실 박사후연구원 Baekmin Kim, Technical University of Munich의 Stefan Guldin 등이 참여함

냉각 없이 물을 모으는 작동 원리

  • 일반적인 표면 응축은 온도를 낮추거나 매우 높은 습도가 필요함
  • 기존 물 수확 방식도 표면 냉각을 위한 에너지 입력이나, 습한 환경에서 짙은 안개가 형성되는 조건에 의존하는 경우가 많음
  • 이번 재료는 냉각 대신 모세관 응축을 활용함
    • 수증기가 매우 작은 기공 안에서 낮은 습도에도 응축되는 과정임
    • 모세관 응축 자체는 새로운 현상이 아님
  • 차이는 응축된 물이 기공 안에 갇히지 않고, 표면으로 이동해 물방울로 나타난다는 점임

막 두께 실험으로 확인한 내부 기원

  • 연구진은 처음에 실험실의 온도 구배 같은 장치 요인 때문에 물이 표면에서 단순 응축됐을 가능성을 검토함
  • 원인을 가리기 위해 재료 막의 두께를 늘리고, 표면에 모이는 물의 양이 달라지는지 확인함
  • 표면 응축만 원인이라면 막 두께는 물의 양에 영향을 주지 않아야 함
  • 실제로는 막이 두꺼워질수록 수집된 물의 총량이 증가해, 표면 물방울이 재료 내부에서 나온 물이라는 근거가 됨

오래 유지되는 물방울과 보충 순환

  • 물방울은 크기와 곡률만 보면 빠르게 증발해야 하지만, 실험에서는 오랜 시간 안정적으로 유지됨
  • 외부 협업팀도 다양한 조건에서 다공성 막을 관찰하며 결과 재현성을 확인하는 역할을 맡음
  • 재료는 물을 끌어당기는 나노입자와 물을 밀어내는 플라스틱인 폴리에틸렌(polyethylene) 의 균형으로 특수한 성질을 보임
  • 표면 물방울은 아래쪽 기공의 숨은 저장소와 연결되어 있음
    • 저장소는 공기 중 수증기로 계속 보충됨
    • 친수성·소수성 성분의 균형이 응축과 방출의 피드백 루프를 가능하게 함

수동 물 수집과 냉각으로의 확장 과제

  • 재료는 흔한 폴리머와 나노입자로 만들어지며, 확장 가능한 제조 방법을 사용할 수 있다는 점이 장점임
  • 잠재 적용 분야는 다음과 같음
    • 건조 지역용 수동 물 수집 장치
    • 전자기기나 건물 냉각용 표면
    • 주변 습도에 반응하는 스마트 코팅
  • 연구진은 세포와 단백질이 복잡한 환경에서 물을 관리하는 방식도 더 나은 재료 설계에 활용하려 함
  • 다음 단계는 친수성·소수성 성분의 균형 최적화, 실제 사용을 위한 스케일업, 수집된 물방울이 표면에서 효율적으로 굴러떨어지게 하는 방법 조사임
  • 장기적으로는 공기 중 수증기만 이용해 건조 기후에서 깨끗한 물을 제공하거나, 더 지속 가능한 냉각 방법을 만드는 기술로 이어질 수 있음

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GN⁺   [-]
Hacker News 의견들

  • “공기에서 물을 끌어와 기공에 모으고, 외부 에너지 없이 표면으로 방출한다”는 설명은 고급 제습제 봉투와 비슷하게 들림
    https://www.amazon.com/Wisesorb-Moisture-Eliminator-Fragranc... 같은 제품은 염화칼슘으로 불포화 공기에서 물을 흡수해 작은 물방울을 만들지만, 소모되면 새로 사거나 끓여서 결정을 회수해야 함
    새 물질에서도 물방울은 물질에 붙어 있으므로 제거하려면 에너지가 필요함. 장치 아래 양동이로 마법처럼 떨어지지 않기 때문에, 에너지 없이 물을 “수확”할 수는 없음. 종이타월로 닦아낼 수는 있어도, 그 종이타월에서 물을 빼내려면 다시 에너지가 듦
    “물리 법칙을 거스를 수도 있는 물질”이라는 표현도 틀렸음. 대학 홍보팀과 기술 기자는 물리 법칙이 깨졌다고 믿기 전에 저자에게 재확인하고 독립 전문가에게도 확인하는 짧은 교육을 받아야 함
    문제의 문장과 오해를 부르는 제목은 대학 쪽 글에서 나온 것임: https://blog.seas.upenn.edu/penn-engineers-discover-a-new-cl...

    • 아직 진행 중인 연구지만, 일회용 제습제 봉투와는 약속하는 바가 조금 다름. 다른 지역에서는 Thirsty Hippos 같은 제품도 있음
      물리 법칙을 깨지 않고, 물방울을 떼어내는 데 여전히 에너지가 든다는 점은 맞음. 다만 물방울이 표면으로 이동한다면, 방출에 필요한 에너지가 Peltier 접합 같은 능동 제습 방식보다 훨씬 낮을 수 있어 보임
      https://www.amazon.sg/Thirsty-Hippo-Dehumidifier-Moisture-Ab...
      기본적으로 강화된 실리카겔에 가까움
    • 대학 홍보의 위험 신호보다 논문 쪽 위험 신호가 더 눈에 띔
      그림 4와 시뮬레이션 그림 3E를 보면, 뭔가 일어나기 시작하는 조건이 상대습도 97% 이고 몇 분 뒤인 듯함. 그것도 마이크로미터 규모임
      https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8349
      집에서도 거의 해볼 수 있을 정도임. 폴리 장갑을 “동결건조”된 실리카 분말에 녹이면 됨
    • 이런 형태의 물 수집에는 에너지 보존 관점에서, 공기에서 물 1L를 모으는 데 필요한 최소 에너지가 정해져 있는지 궁금함
      필요한 에너지가 낮다면 흥미로운 기술로 볼 수 있음
    • 실제로 물을 모으는 수동적이거나 저에너지 방식이 없다면 “수확”이라는 표현은 과장에 가까움
      흡수 표면이나 모세관 기반 전달 시스템과 결합하면 도움이 될 수 있겠지만, 아직 열린 질문으로 보임

  • 실제 논문(https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8349)에는 “달리 명시하지 않는 한 모든 측정은 공기 순환 시스템으로 유지한 20° ± 0.2°C에서 수행했다. 필요할 때 필름 온도는 가열/냉각 장치(THMS350V, Linkam Scientific Instruments, Salfords, UK)로 제어했다”라고 나옴
    즉 잠열은 냉각 장치로 빠져나가는데, 더 극적으로 보이게 하려고 명시적으로 말하지 않은 셈임

    • 논문에서 많은 사람이 놓치는 부분이 또 있음. “구체적으로, NP 크기가 ≤22nm, RH가 대략 90% 초과, ϕPE가 0.05~0.35일 때 거시적 물방울이 등온으로 형성된다”, “97% RH에 노출된 지 몇 초 안에 광학 현미경으로 관찰 가능한 초기 물방울(약 1μm)이 나타난다”라고 되어 있음
      이건 이슬이 맺히기 직전의 매우 습한 공기임. 많은 사람이 “물리 법칙 위반”이라는 선정적 표현에 집중하지만, 자연적으로 일어나는 과정의 점진적 개선에 가까움
    • 온도조절기로 온도를 일정하게 유지하는 것 자체는 문제가 아님. 표면을 주변 공기보다 차갑게, 즉 이슬점 아래로 유지했다면 설명이 되겠지만, 논문 설명상 그런 경우로 보이지 않음
      핵심 주장은 불포화 증기에서 거시적 물방울이 자발적으로 생긴다는 것인데, 이는 열역학 제2법칙이 허용하는 현상이 아님
    • 물리학을 깬다고 포장하지 말고 실제로 유용한 지점을 말했어야 이해가 쉬웠을 것 같음
      지금 이해로는, 주변 온도가 충분히 낮은 환경에서 더 높은 온도에서도 작동할 수 있으므로 잠열을 수동 복사로 빼낼 수 있음. 능동 열펌프를 쓰더라도 더 높은 온도는 효율을 올릴 수 있음. 닫힌계라면 결국 평형에 도달하겠지만, 닫힌계를 유지할 필요는 없음
    • 이 연구는 그래도 돋보임. 흡착 방식과 달리 메커니즘이 계속 공기에서 물을 끌어오는 데 바뀌지 않는 듯함
      아마 이 물질 층을 알루미늄에 올려 잠열을 전도시키고, 추가 에너지 없이 계속 물을 만들어내는 장치를 만들 수 있을 것임. 그늘에 이 물질로 된 핀 다발과 아래 수집통을 둔 “큐브”를 생각하면 됨. 실제 제작 후 주변 공기에서 하루 몇 리터를 어떤 조건에서 뽑아낼지가 흥미로움
      이런 장치는 온도와 수분 함량이 사람에게 위험한 습구온도 날씨에 필수적일 수 있음. 에너지 없이 공기 중 물을 빨아들이는 수동 장치라면 생명을 구할 수도 있음
    • 논문을 보면 이산화규소 나노입자를 기판에 올리고, 그 위에 플라스틱(poly-ethylene) 층을 더한 뒤 녹이는 어닐링을 한 것으로 보임
      나노입자 사이 공간이 플라스틱으로 일부 채워지고, 플라스틱 대 입자 비율이 poly-ethylene 부피분율(ϕPE)임. 여러 비율을 시험했고 특정 범위에서 젖음 거동이 나타난다고 함
      실험상 상대습도 70% 에서도 물질 내부에 작은 물방울이 생긴다고 되어 있음. 사실이라면 아주 적은 에너지로 물방울을 추출할 방법이 있을 것으로 기대함. 예를 들어 필름에 열린 수집 지점을 만들거나, 초음파로 물방울을 튕겨 합치거나, 물로 포화될 수 있는 재료 위에 필름을 만들어 새 물방울이 흐름에 쉽게 합류하게 할 수 있음
      https://en.wikipedia.org/wiki/Volume_fraction

  • 논문 어딘가에 중요한 단서를 숨겨놓은 게 아니라면, 이 주장은 열역학 제2법칙과 맞지 않아 보임
    이들은 일정 온도와 100% 미만 상대습도에서 나노물질 위에 물방울이 응축된다고 주장함. 우리가 아는 열역학에서는 절대 금지된 일임. 이런 조건에서는 기공 내부의 오목한 표면에는 응축될 수 있지만, 평평한 표면 위 볼록한 물방울은 생길 수 없음
    소수성 성분이 물을 표면으로 “짜낸다”는 설명도 엉터리임. 응축은 넘치기 전에 멈출 것임. 오목한 기공에서 응축된 물이 볼록한 물방울로 밀려나오려면 정수압이 동시에 양수이자 음수여야 함
    가능한 설명은 1) 오염된 표면 2) 상대습도 보정 오류 3) 물질을 주변보다 낮은 온도로 유지하는 냉각판을 빠뜨렸다는 것 정도임
    https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8349

    • 무엇이 금지된다는 건지 잘 모르겠음. 공기에서 물을 잡아두는 데 100% 상대습도가 필요한 건 아님. 나무도 평형 상태에서 공기 습도와 관련된 함수율을 가짐
      수분은 모든 물질 안으로 확산되고, 증기압이 낮은 곳에 따라 증발함. 상대습도 40%에서는 입술이 마르고 70%에서는 촉촉한 이유도 그 때문임
      말하는 건 응축이고, 이는 온도 하락으로 공기가 과포화될 때 생기는 현상인데 여기서는 그런 경우가 아닌 듯함
      이론적으로는 공기 중 높은 습기를 흡수하면서 미시적 성질로 물방울 생성을 촉진하고, 그 물방울을 스마트 방습층 같은 수동 재료로 공기와 분리해 물을 수확하는 물질이 가능할 수 있음
    • 이런 물질에는 반대 방향의 현실 문제도 있음. 깨끗한 실험실 조건에서의 물 수확은 실제 환경에서 빠르게 무너질 수 있음
      젖은 것은 먼지와 미생물을 끌어들임. 먼지와 물이 있으면 미생물이 더 늘어남. 금방 지의류가 자라날 것임
    • 작은 온도 구배나 보정 문제를 실험에서 놓친 게 처음 있는 일은 아님
    • 기사를 읽어보면 평평한 표면 위 물방울이 아님. 기공 내부의 물과 표면장력으로 붙잡힌 물방울임

  • 나흘 전 재게시임: https://news.ycombinator.com/item?id=44060712
    또한 열역학을 위반하는 것처럼 들리게 만드는 데는 정말 성공했음. 실제로는 그렇지 않고, 제습기는 이미 지불해야 하는 에너지 비용 대비 공기에서 물을 잘 뽑아냄. 그렇다면 다른 판매 포인트가 있어야 할 텐데, 잘 보이지 않음

    • “제습기는 지불하는 에너지 비용 대비 공기에서 물을 잘 뽑아낸다”는 말에는 동의하기 어려움
      응축식 제습기는 에어컨만큼 운전비가 들고, 원치 않는 열을 내며, 시끄러움. 건조제식 제습기는 에너지 효율이 더 낮음
      더 적은 에너지와 소음으로 공기에서 수분을 추출할 방법이 있다면 엄청난 일임
    • 열역학에 대한 우리의 이해를 어길 가능성은 거의 없지만, 대기 중 주변 수증기를 응축하는 데 꼭 그래야 하는지는 분명하지 않음
      논문에는 “놀랍게도 이 양친매성 나노다공성 PINF를 높은 불포화 조건, 즉 상대습도(RH) < 100%에 노출하면 냉각 없이도 필름 표면에 거시적 물방울이 자발적으로 나타난다”고 되어 있음
      https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8349
    • 핵심은 물을 얻기 위해 공기를 냉각할 필요가 없다는 것임
      먼저 물을 얻고, 그 결과 물질이 조금 데워진 뒤, 다시 주변 온도로 수동 냉각될 수 있음
    • 다른 판매 포인트라면 Windtraps가 있음
      https://dune.fandom.com/wiki/Windtrap

  • 보도자료에서 “물리학을 거스른다”는 표현을 쓰지 않았으면 좋았겠음. 물 응축기에는 중요한 발견일 수 있지만, 외부 에너지원이 필요 없다고 주장하는 건 심각하게 부주의함
    거의 확실히 일종의 브라운 래칫을 만든 것 같음: https://en.wikipedia.org/wiki/Brownian_ratchet
    사람들은 외부 에너지원이 없다고 주장하길 좋아하지만, 자세히 보면 고온-저온 차이가 있고 그 차이를 유지하려면 외부 에너지가 필요함. 물질이 주변보다 차갑거나, 유입되는 습기가 주변보다 따뜻하다는 데 큰돈을 걸 수 있음. 물질 내부 차이일 수도 있고, 실험실 조명이 한쪽을 데우고 있을 수도 있음
    낮과 밤의 온도 순환에 의존하는 수동 장치도 많지만, 그것도 태양에서 들어오는 에너지임
    기사에는 물질 두께를 늘려 열 구배를 배제하려 했다고 나오는데, 왜 그게 배제가 되는지 모르겠음. 구배는 여전히 존재할 수 있음
    의도적으로 에너지를 공급하지 않았다면 아마 매우 효율적일 것이고, 그러면 여전히 크고 중요한 일임. 그런데 대중의 관심을 얻으려면 영구기관처럼 주장해야 하는 듯해서 싫음

    • 대학이 가끔 뉴스에 나와야 하는 필요는 이해하고, 이 글이 여기 첫 페이지에 오른 걸 보면 방법이 효과적이긴 함. 하지만 과학 출판 맥락에서 Passively Harvest와 Defies Physics 같은 표현은 매우 조심해서 써야 함
      블로그 글이라 동료심사 논문 수준의 엄밀함을 기대하진 않더라도, 결국 과학에 해가 됨. 어떤 마법 물질이 열역학 제2법칙을 깨뜨릴 것이라는 믿음은 화학보다 연금술에 가까움
    • PET는 꽤 괜찮은 절연체이고, 이들이 응축 원인이 온도 차이가 아니라 나노구조 자체임을 확인하려 한 것으로 보임
      온도와 습도를 제어했다고 가정하면 물질은 더 뜨거워져야 하는데, 이는 방열판으로 수동 해결할 수도 있어 보임. 이들이 설명하는 것이 맞다면 상당히 큰일이고, 그럴듯해 보임

  • 꽤 멋짐. 기본적으로 응축-증발 순환에 필요한 열역학적 차이를 기후 조절에서 물질 조절로 바꾸는 셈임
    나중에 기공 크기를 프로그래밍할 수 있다면 어떨까? 저장소의 유입/유출 균형을 필요할 때 바꿀 수 있음. 스마트 의류를 상상해볼 수 있음. 더울 때는 기공을 키워 물을 내보내고, 추울 때는 기공을 줄여 물이 덜 증발하게 만드는 식임
    다만 기사에 나온 “물리학 위반” 표현은 거슬림

  • 관련해서 https://en.wikipedia.org/wiki/Air_well_(condenser), https://en.wikipedia.org/wiki/Fog_collection, https://en.wikipedia.org/wiki/Atmospheric_water_generator를 참고할 만함

    • 이 물질은 안개가 아니라 수증기를 주변 온도에서 모을 수 있는 듯함. 다만 물을 흡수하는 동안 물질이 조금 데워지고 다시 식어야 하는데, 따뜻할 때는 주변 공기보다 따뜻하므로 괜찮을 수 있음
    • 위의 것들은 모두 응축에 의존하고, 응축은 온도가 충분히 낮아져 공기가 물을 더 이상 머금지 못할 때 생김
      새 물질의 메커니즘은 완전히 다름. 공기가 포화될 필요가 없어 보임
      이미 공기에서 물을 제거하는 물질들은 있음. 그런 경우 물은 흡수된 상태로 남음. 이 물질도 비슷한 원리처럼 보이지만, 진짜 차이는 물이 계속 흡수된 채로 남지 않는다는 것임
    • 이걸 링크하고 싶은 유혹이 큼. 농담이 아니라 진심으로
      여기가 Reddit은 아니지만 그래도
      https://en.wikipedia.org/wiki/Dune_(novel)

  • 공기에서 물을 분리하는 데 필요한 최소 에너지는 소금물에서 물을 분리하는 데 필요한 최소 에너지보다 훨씬 크다는 점을 이해해야 함
    이 물리적 사실 때문에 담수화는 항상 대기 중 물 수확보다 효율적일 수밖에 없음

    • 담수화에는 대량의 염수 폐액 문제가 생기는 것으로 이해함. 기존 제품 기준으로는 담수화에 꽤 많은 소모성 재료도 필요함
      추가 소모품 투입이 필요 없는 장치가 있다면 꽤 흥미로워 보임. 전기는 쓸 수 있지만 다른 재료 투입이 없는 점에서 이득을 볼 수 있는 곳도 많을 것임
    • 그 계산에 운송비도 포함되는지 궁금함
      전력이 있다면 어디서든 공기에서 물을 수확할 수 있음. 담수화는 보통 바닷가에서 만든 물을 원하는 곳까지 운송해야 함
      운송비가 물 수확을 더 효율적으로 만들 만큼 커질 수 있는지는 전혀 모르겠음

  • 에너지 수지와 다른 기술과의 비교 관점에서 보면, 흡수와 응축이 같은 물질 내부에서 수동으로 일어나므로 에너지를 넣을 필요가 없다는 뜻임
    흡수에서 얻은 열은 다음 응축 단계에서 빠져나감. 따라서 이 발견의 영향은 에어컨, 제습기, 또는 남쪽 능선의 moisture vaporator 전력이 필요 없어진다는 데 있음
    AI를 늘 시험해보는데, 이건 모델이 훈련받지 않았을 기술에 대해 어떻게 생각하는지 보기 재미있는 주제였음. Grok은 나(B.S.ChemE)보다 과정을 더 꼼꼼히 따져봤음
    https://grok.com/share/bGVnYWN5_e80e8100-3682-4157-879e-c5ca...

    • Grok이 틀렸음. 그 설명은 열역학 제2법칙을 위반함. 다만 PR이 매우 오해를 부르게 되어 있어서 Grok을 탓하긴 어려움

  • Mojave 한가운데에서 탄산염 암석, 숯, 큰 골판 금속관으로 비슷한 걸 만든 적이 있음
    하룻밤에 물을 약 3갤런 생산함
    34.997387, -116.380048
    튀어나온 큰 관이 보일 것임. 거기에는 광부 호텔이 지어져 있음

    • 어떻게 만들었는지 볼 수 있는 링크가 있나?
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