공기 중에서 수동적으로 물을 추출할 수 있는 신소재 개발

(blog.seas.upenn.edu)

펜실베이니아 대학교 연구팀이 외부 에너지 없이 수동적으로 공기 중의 물을 추출할 수 있는 신개념 소재를 발견함
이 소재는 친수성 나노기공과 소수성 중합체가 독특하게 결합된 구조로, 기공 내에서 공기 중 수분을 포획하고 표면으로 방출 가능함
캡릴러 응축 현상을 효과적으로 활용하여 낮은 습도에서도 작동하며, 기존 소재 대비 물이 기공 내에 머물지 않고 표면까지 전달되는 점이 특징임
제작 방법이 비교적 간단하고 상업적으로 확장 가능한 공정으로 적용될 수 있어, 건조 지역의 수확 장치나 전자기기 냉각 등에 활용 가능성 높음
앞으로 친수성과 소수성의 비율 최적화와 실제 응용을 위한 규모 확대 연구가 진행될 예정임

새로운 방식의 나노구조 소재 발견

펜실베이니아 대학교의 화학공학 연구진은 실험 중 우연한 관찰을 통해 외부 에너지 없이 공기 중 수증기를 포집해 표면에 물방울로 방출하는 신개념 나노구조 소재를 발견했음
이 연구는 다양한 분야의 전문가들이 협력하여 진행되었으며, 해당 소재는 건조 지역의 수분 수확이나 전자기기 냉각 등 다양한 응용에 새로운 분야를 열 수 있을 것으로 기대됨

발견 과정을 통한 원리 규명

연구 초기에는 표면에 맺힌 물방울 현상이 실험장비의 온도 편차 등 외부 요인 때문이라고 추정했으나, 소재의 두께를 늘릴수록 표면에 형성되는 물의 양도 함께 증가함을 확인함
이를 통해 기존 나노기공 소재와 다르게, 막 내부에서 응축된 물이 표면까지 이동해 물방울로 나타난다는 특성을 규명함

나노기공의 작동 방식

전통적인 물 수확은 낮은 온도나 높은 습도가 필요하거나, 표면을 냉각시키는 외부 에너지 투입이 요구됨
그러나 이 신소재는 캡릴러 응축 덕분에 낮은 습도에서도 나노기공 내부에 수증기가 응축됨
더 나아가 응축된 수분이 기공에 갇히지 않고 표면으로 이동하여 물방울로 방출됨
방울의 곡률과 크기에 비해 증발 속도가 극히 낮아 오랜 시간 안정적으로 표면에 머물 수 있는 점도 기존 이론을 뛰어넘는 현상임

기초 원리에 대한 검증과 고유 특성

막의 두께와 표면 물방울 양의 상관관계를 확인하며, 관찰 현상이 표면 응축이 아니라 기공 내부의 저장수와 관련됨을 증명
외부 협력연구진도 동 현상을 재현하며 이 특별한 나노구조 소재의 가능성에 주목함

균형 잡힌 소재 조합과 응용 전망

친수성 나노입자와 소수성 폴리에틸렌의 정확한 혼합 비율 설정이 매우 중요한 역할을 함
기공 내 숨겨진 저장소와 표면 물방울이 연결되어 있어, 공기 중 수분을 지속적으로 포집(재생 피드백 루프)을 형성
이 소재는 일반적인 중합체와 나노입자를 사용해 대량 양산도 용이함
직접적으로 건조 지역의 수분 수확, 전자기기-건물 냉각용 표면, 습도에 따라 반응하는 코팅재 등 다양한 산업적 응용 가능성 존재

향후 연구 방향과 기대 효과

아직 작동 메커니즘의 세부 규명과 친수/소수성 비율의 최적화, 대규모 실사용 적용, 수확된 물방울 표면 탈착 등 추가 연구 과제가 있음
연구팀은 생물학적 시스템에서 물을 효율적으로 관리하는 수단 등을 참조하여 소재 설계에 반영하고 있음
장기적으로는 건조 지역의 깨끗한 물 공급 또는 물 증발만으로 작동하는 친환경 냉방 기술 개발로 이어질 전망임

연구 지원

이 연구는 미국 국립과학재단(NSF)과 에너지부, Alfred P. Sloan 연구재단 등 여러 기관의 지원을 받으며 진행됨

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GN⁺ 10일전 [-]

Hacker News 의견

새로운 나노구조 소재가 외부 에너지 없이 공기 중의 물을 끌어당겨 모으고 표면에 방출할 수 있다고 하여, 일종의 고기술 제습제 가방처럼 느끼는 중임. Wisesorb Moisture Eliminator처럼 칼슘 클로라이드가 들어있는 가방들은 불포화 공기에서 수분을 흡수해 물방울을 만드나, 사용 후엔 새 것을 사거나 끓여서 원상복귀해야 함. 이번 신소재에서는 물방울이 소재에 달라붙고 제거하려면 에너지가 필요함. 마치 마술처럼 그냥 통 밑으로 물이 떨어지진 않음. 물방울을 종이 타월로 닦아낼 수 있으나, 타월에서 다시 물을 빼려면 또 에너지 필요함. 그리고 "물리 법칙을 거스른다"는 표현은 옳지 않으며, 대학의 홍보팀과 기술 저널리스트는 물리학 법칙이 위배됐다고 생각하면 저자와 독립 전문가로 이중 삼중 확인하는 절차를 배워야 한다는 생각임. 오해를 부르는 문장과 제목이 모두 대학 홍보물에서 나옴
- 진행 중인 연구이며, 이 소재는 Thirsty Hippos 같은 일회용 제습제 가방과는 약간 다른 가능성을 보여주고 있음. 맞는 점은 (1) 물리 법칙을 어기지 않으며 (2) 물방울을 제거하려면 여전히 에너지가 필요함. 그렇지만 만약 물방울이 표면으로 이동한다면, 방울을 방출하는 데 필요한 에너지가 펠티어 소자와 같은 기존 액티브 제습법보다 훨씬 적을 수도 있음. 참고로 Thirsty Hippo는 작은 공간에서 상당히 효과적인 슈퍼 실리카겔임
- 설명 감사함. 처음 기사 제목만 읽고, 혹시 누가 영구기관을 발견했다고 생각한 줄 알았음
- 내가 참여했던 출판물에서 대학 PR 자료를 받았을 때에는 그쪽과 직접 소통함
- 물리 법칙을 어기는 것은 절대 불가능함. 만약 법칙이 틀렸다고 보인다면, 그건 우리가 잘못 이해한 것임. 마찬가지로, 법칙을 “거스른다”는 건 불가능하고, 우주는 허용하는 것만 할 수 있음
논문 원문에서: "모든 측정은 20°±0.2°C에서 공기 순환 시스템으로 유지하였고, 필요시 가열/냉각 유닛으로 필름 온도를 제어함." 즉, 잠열은 냉각장치로 전달되며, 이 점을 명시적으로 밝히지 않아 마치 더 극적으로 보이려는 느낌임
- 논문에서 주목할 만한 다른 부분: "NP 크기가 22nm 이하이고 상대 습도가 대략 90% 초과, 그리고 ϕPE가 0.05~0.35일 때 거시적 물방울이 등온 상태로 생성됨" "광학 현미경(약 1μm 크기)에서 보이는 초기 물방울은 97% 상대습도 노출 후 몇 초 내에 나타남" 정말로 공기가 이슬 맺히기 직전까지 습한 환경임. 사람들이 "물리 위반"에 너무 집중하고 있으나, 실제론 자연스러운 현상에 대한 점진적 개선임
- 온도를 서모스탯으로 일정하게 유지하는 건 문제 없음. 표면을 공기보다 차갑게(이슬점 이하) 유지했다면 설명이 되겠지만, 논문 내용을 봐서는 그런 것 같지 않음. 그들은 본질적으로 불포화 수증기에서 거시적 물방울이 저절로 생긴다고 주장하는데, 이는 열역학 제2법칙으로는 허용되지 않는 현상임
- 설명을 듣고 나니 이해됨. 물리학을 위반하는 듯 말할 게 아니라, 실제로 뭘 개선하는지에 집중했으면 좋겠음. 내 생각엔, 이 소재는 더 높은 온도에서도 작동할 수 있고 주위 온도가 낮다면 잠열이 수동 방출될 수 있음. 액티브 열펌프를 써도 고온에서 더 효율적인 과정이 가능함. 폐쇄계라면 언젠간 평형이 오겠지만, 굳이 완전히 닫힌 시스템일 필요도 없음
- 이 연구는 기존 흡착식 기술과 달리 메커니즘 변화 없이 계속 공기에서 물을 끌어올 수 있다는 점에서 눈에 띔. 아마 이 소재를 알루미늄 위에 입혀 잠열을 전달할 수 있다면, 추가 에너지 없이 물만 계속 생산하는 시스템을 구상할 수 있을 것임. 그늘진 곳에 이 소재로 만든 ‘핀’ 큐브를 놓고 밑에 수집 버킷을 두면 되겠음. 만약 이런 장치가 실제로 만들어져서 하루에 몇 리터를 어떤 조건에서 뽑아내는지 실측하는 것이 흥미로울 것임. 특히 습구 온도 현상 등 위험 상황에서 에너지 없이 공기 중 수분을 제거하는 패시브 장치는 인명 구조용으로도 쓸 수 있을 것임
- 실제로 잠열이 냉각장치로 전달된다는 점은 극적으로 꾸미려 숨겼을 순 있지만, 이 과정에서 소재가 주변 공기보다 더 뜨거워진다면 이례적임. 보통은 수분을 빼내려면 온도를 더 낮추어야 하기 때문임. 최대 수분 추출량을 측정하는 데 적합하진 않아도, 주변 온도 수준까지 냉각하는 일은 훨씬 쉬운 과제임
논문 어디엔가 정말 중요한 주의 사항이 숨어 있지 않는 이상, 그들이 주장하는 건 열역학 제2법칙과 맞지 않는 것처럼 보임. 나노 소재 표면에서 <i>등온</i> 상태이며 <i>100% 이하의 상대습도</i>에서 물방울이 생성된다고 주장함. 이건 열역학 상 절대 불가임. 이런 조건에선 오목면(공극) 내부에서만 응축이 생기며, 평평한 표면에서 볼록 물방울 형성은 불가함. 논문에 나온 "친수성 성분이 물을 짜낼 수 있다"는 설명은 터무니없음. 물이 오목 기공 내에서 모이고 볼록 방울로 넘어가려면 수압이 동시에 양수, 음수가 되어야 하는데, 이는 불가능함. 내가 볼 때 다음 셋 중 하나가 있음: 1) 오염된 표면 2) 상대습도 오측정 3) 주변보다 차가운 냉각판이 언급되지 않았음. 논문 링크
- 잘못된 점이 뭔지 확실치 않음. 실제로 100% RH가 아니어도 공기에서 물을 끌어올릴 수 있음. 모든 목재도 공기 중 수분과 평형에 도달하는 습기 함유량이 있음. 수분은 모든 물질로 확산되며, 수증기압 차이 있는 쪽으로 증발함. 그래서 40% RH엔 입술이 마르고, 70% RH엔 촉촉해지는 이유임. 응축이란 현상은 보통 온도 하강으로 인한 과포화에서 나타나지만, 여기선 그런 상황이 아님. 이론적으로는 공기에서 수분을 효과적으로 흡수하는 소재가 있다면, 마이크로 구조로 방울이 촉진되고, 방울이 공기와 분리되어 수확되는 것도 가능할 듯함. 일종의 스마트 베이퍼 리타더(패시브 소재)라서 물을 추출하는 방식임
4일 전 리포스트: HN 댓글 링크 그리고 그들이 마치 열역학을 위반하는 듯 굉장히 과장해서 홍보하고 있음. 실제로 그렇지 않고, 이미 제습기는 기존의 효율만큼 충분히 물을 뽑아내고 있으니, 뭔가 다른 강점이 있어야 할 것임. 하지만 그게 뭔지 확실하게 보이진 않음
- "제습기가 이미 에너지 값을 치르고도 충분히 공기에서 물을 뽑아낸다"는 말에 동의하지 않음. 실제로 콘덴세이트 제습기는 에어컨만큼 전기요금이 들고, 원치 않는 열도 방출하고, 소음도 심함. 데시칸트 제습기는 오히려 더 비효율적임. 만약 더 적은 에너지와 더 조용하게 습도를 빼낼 수 있는 방식이 있다면, 정말 엄청난 변화임
- 실제로 열역학을 위반할 것 같진 않음. 그렇다고 해서 대기에 있는 수증기를 응축시키려면 이론상 그럴 필요가 있는 것 같지도 않음. 논문에 따르면 "[친수소성 나노기공 PINF를 습도가 100% 미만인 환경에 노출시키면, 냉각 없이 표면에 자발적으로 거시적 물방울이 형성되는 현상이 관찰됨]" 논문 링크
- 여기 아이디어는 공기를 냉각시키지 않고도 물을 뽑아낼 수 있다는 점임. 먼저 수분을 받아서 소재가 약간 뜨거워지고, 이 열은 다시 수동적으로 외부로 복사됨. 전체가 닫힌 시스템이라면 언젠가 평형이 오지만, 굳이 닫힐 필요 없다는 사실이 차별점임
- "더 매력적인 무언가가 있어야 하지 않나" 질문에 대한 답: Windtraps, 즉 Dune의 바람함정 같은 개념을 떠올림
비슷한 내용 중복 댓글이 있어서, 댓글들을 합쳐 참고 예정임
이번 기술이 정말 실용화되면 응용 분야가 너무 많을 것이라고 생각함. 각 나무 옆 또는 농작물 줄마다 하나씩 세워둘 수 있음. 집안에서 A/C와 함께 사용하면 냉방 효율과 습도 관리가 쉬워질 수 있음. 산이나 고층 빌딩에서 물을 모아 소규모 수력 발전에도 활용 가능함. 수영장 물 보충에도 쓸 수 있음
이것으로 우수한 탈염법을 만들 수 있을까 궁금함. 바닷물을 수분이 포화될 때까지 닫힌 시스템 내의 공기에 증발시킨 다음, 이 소재를 이용해 물을 수확하는 방식임
"물리 법칙 위반"이란 표현을 써버려서 유감임. 이 연구는 물 응축 시스템에 있어 중요한 발견인데, 외부 에너지 필요 없다는 식의 과장된 언급은 무책임함. 내 생각에 이들은 브라운 운동 래칫과 비슷한 뭔가를 만든 것 같음. 늘 외부 에너지 필요 없다고 하지만, 자세히 보면 결국 온도차(냉온차)가 있고 그 차이를 유지하려면 외부 에너지가 필요함. 아마도 소재가 공기보다 더 차갑거나, 들어오는 수분이 주변보다 따뜻할 가능성이 높음. 재료 내부에 온도 기울기가 있을 수도 있고, 랩의 조명이 한 면만 덥힐 수도 있음. 실상 많은 패시브 디바이스가 낮과 밤의 온도차에 의존하는데, 결국 그 에너지는 태양에서 오는 것임. 기사에서는 재료 두께를 늘려 온도 구배를 제거하려 했다고 하지만, 그 이유가 납득이 되진 않음. 누가 에너지를 일부러 투입하지 않았다면 이 소재는 상당히 효율적일 텐데(실제로 냉동 샘플을 쓰지 않았다면), 그럼에도 우리는 대중의 관심을 끌기 위해 영구기관이라 주장해야 하는 현실이 아쉬움
- 나 역시 대학이 가끔 이슈를 만들어야 한다는 사정을 이해하지만, "Passively Harvest" "Defies Physics"란 단어는 과학적 맥락에선 매우 신중히 써야 한다고 생각함. 블로그 포스팅이라 동료심사 수준의 엄밀함을 기대하진 않지만, 결국 이런 용어 사용은 과학에 해가 됨. 어떤 마법 같은 소재가 열역학 제2법칙을 깰 수 있다고 믿는 건 화학이 아니라 연금술에 가깝다고 여김
- PET가 꽤 괜찮은 절연재이고, 실험자들은 온도차가 응축 원인인지 아닌지 확인하려고 했던 것 같음. 아마 온도와 습도를 모두 제어했다면, 소재 자체가 더 뜨거워진다는 뜻이 될 수 있는데, 이 경우라도 라디에이터로 수동 냉각하면 해결할 수 있는 문제임. 이번 논문에서 설명하는 현상은 실제로 실현된다면 꽤 큰 혁신이 될 수 있을 듯하고, 충분히 설득력 있음
대규모로 대기에서 물을 제거하면 지구의 기후 패턴에 치명적일 수도 있음. 한 나라에서 물을 너무 빨아들이면 다른 나라에 비가 오지 않을 수 있음
이번 기술 자체가 꽤 흥미로움. 크게 보면 응축-증발 사이클의 열역학적 델타를 큰 기후가 아닌 재료 특성으로 바꿔버린 셈임. 만약 기공 크기를 자유롭게 바꿀 수 있다면, 저장 탱크의 물 유입/유출 밸런스를 언제든 제어할 수 있음. 예를 들어 스마트 의류에도 적용할 수 있고, 더울 땐 기공을 열어 물을 많이 방출하게 하고, 추울 땐 기공을 줄여 증발을 막는 방식임. 기사에서 “물리 위반”이라는 표현만 제외하면 좋겠음
사람들이 꼭 알아야 할 점은, 공기에서 물을 분리하는 데 드는 최소 에너지가 염수에서 물을 분리할 때의 최소 에너지보다 훨씬 크다는 물리법칙임. 그래서 탈염이 항상 물 수확보다 효율적임
- 그럼 운송 비용도 포함되는지 궁금함. 에너지가 있다면 어디서든 공기에서 물을 수확할 수 있으나, 탈염은 대개 바닷가에서 물을 퍼와야 운송이 필요함. 물 운송비가 공기 중 수확보다 더 비싸질 가능성도 있을지 잘 모르겠음

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