3'30" 읽기
- 에어로겔은 단열성이 뛰어나다. 1931년에 이 물질 개발돼
- 단점: 신축성 없고 젖으면 단열효과 잃어
- 북극곰의 흰색털 관찰 발수성, 견고성, 유연성 갖춘 재료 개발
- 에어로겔 섬유로 만든 스웨터는 다운보다 따뜻해

에어로겔 섬유는 북극곰의 털을 모방했다.
새로운 열섬유로 만든 스웨터는 다운이나 울보다 보온성이 뛰어나

북극곰처럼 옷을 입다:
연구원들이 아늑하고 따뜻한 스웨터를 짜는 데 사용할 수 있는 새로운 유형의 섬유를 개발했다. 특수 에어로젤로 만들어진 섬유는 단열성이 매우 높고 동시에 내구성과 신축성이 있다고 과학자들이 "Science"에 보고했다. 이것은 실이 추운 지역의 의류를 만드는 데 쉽게 사용될 수 있다는 의미다. "캡슐화된 에어로겔 섬유"의 특성은 다른 산업 응용 분야에서도 흥미롭다. 

▲ 북극곰의 털은 특히 밀도가 높고 보온성이 뛰어나다. 이제 특수 에어로겔 섬유가 이 효과를 모방했다.

소위 에어로겔은 단열성이 뛰어나다. 1931년에 개발된 이 물질은 생산 중에 겔의 액체가 가스로 교환되기 때문에 그렇게 불린다. 이 졸-겔 공정은 재료를 매우 다공성으로 만들고 열을 거의 발산하지 않는다. 따라서 NASA는 우주선에 이러한 재료를 사용한다. 재료 과학자들은 오랫동안 에어로겔로부터 열 섬유를 생산하려고 노력해 왔다.

그러나 에어로겔로 만든 섬유는 아직 직물 가공에 적합하지 않다. 옷을 짜거나 편직하는 데 사용할 수 있을 만큼 강하거나 신축성이 없다. 또한, 에어로겔 섬유는 기계 세탁이 불가능하며 젖으면 단열 효과를 잃는다. 다양한 에어로겔 또는 저농도 에어로겔 섬유를 다른 재료와 결합하려는 시도는 지금까지 직물의 단열 성능이 다소 떨어지는 결과를 가져왔다.

북극곰은 어떻게 체온을 유지하나요?

이전 에어로겔 섬유의 이러한 단점을 제거하기 위해 항저우 절강대학교의 우 밍루이(Mingrui Wu)가 이끄는 연구 그룹은 자연에서 보다 견고한 절연 섬유에 대한 모델을 찾았다. 매우 추운 지역에 사는 북극곰과 같은 많은 동물은 추위로부터 보호하고 건조함을 유지하는 특별한 털을 가지고 있다.

북극곰의 흰색 털은 다공성이며 속이 빈 털과 촘촘한 껍질로 구성돼 있는 것으로 연구에서 밝혀졌다. 이는 모발을 유연하고 튼튼하게 만들어주며, 효과적으로 공기를 가두어 주고 수분을 차단해준다. 따라서 이상적인 단열재를 형성한다.

▲ 북극곰은 북극의 추위를 두려워할 필요가 없다. 그의 털은 그를 추위로부터 거의 완벽하게 보호해 준다.

북극곰 모피 구조를 모방

Wu와 그의 동료들은 이제 실험실에서 이 구조를 재현했다. 그들은 먼저 내부에 작은 층상 공동을 포함하는 중합체로부터 에어로겔 섬유를 생산했다. 소위 동결 회전 방법을 사용하여 그들은 고분자 액체를 긴 동결 막대에 압축했다. 과학자들은 이것을 얼린 상태에서 건조시켰다. 그런 다음 얇고 신축성이 있는 고무층으로 섬유를 덮고 열을 사용해 건조시켰다.

핵심 섬유의 경우, 연구자들은 게 껍질에서 얻은 생체 고분자인 키토산으로 만든 다양한 색상의 에어로겔을 사용했다. 그들은 커버에 투명한 열가소성 폴리우레탄을 사용했다. 그 결과 다양한 색상의 캡슐화된 에어로겔 섬유(EAF)가 탄생했다. 예상대로 그들의 구조는 현미경 이미지에서 볼 수 있듯이 북극곰의 털과 유사하다.

에어로겔 섬유는 얼마나 잘 단열될까?

새로 개발된 섬유가 북극곰 모피와 유사한 단열 효과를 갖는지 확인하기 위해 과학자들은 캡슐화된 에어로겔 섬유의 특성을 테스트했다. 추위에 대한 단열 및 단열 효과가 뛰어난 것으로 나타났다. 동시에 발수성, 견고성 및 유연성을 갖추고 있다. 이러한 특징은 보호 고무층의 두께가 80마이크로미터이고 내부 에어로겔 섬유의 직경이 600마이크로미터일 때 가장 두드러졌다고 Wu와 그의 동료들은 발견했다.

장점:
이전 접근 방식과 달리 이러한 섬유는 찢어지거나 마모되거나 절연 효과를 잃지 않고 원래 길이의 최대 1000배까지 늘어날 수 있다고 팀이 보고했다. 반면에 전통적인 에어로겔 섬유는 약 2% 정도만 늘어날 수 있다. 직경 500마이크로미터의 단일 섬유도 깨지지 않고 500그램의 무게를 지탱할 수 있었다.

에어로겔 섬유로 만든 스웨터는 다운보다 따뜻함

이러한 특성으로 인해 새로운 실을 편직하거나 직조하여 극한의 추운 지역에서 일상적으로 착용할 수 있는 얇지만 보온성이 뛰어난 보온 의류를 만들 수 있다. Wu와 그의 동료들은 자신들이 개발한 섬유를 양모 원사로 만든 스웨터와 동일한 뜨개질 구조를 가진 얇은 스웨터로 엮음으로써 이를 입증했다. 그런 다음 그들은 그 특성을 다른 재료로 만든 스웨터와 비교했다.

결과:
과학자들이 보고한 대로 에어로겔 스웨터는 다운 재킷의 두께보다 5배나 더 열을 차단해 주었다. 전반적으로 스웨터는 다운, 울, 면으로 만든 비슷한 두께의 의류보다 훨씬 더 따뜻했다. 게다가 구조나 기능의 변화 없이 세탁기로 세탁이 가능하다.

추가 적용 분야에 대한 가능성

에어로겔 섬유의 생산은 다른 원사보다 저렴하기 때문에 섬유 산업에 큰 관심을 끌고 있다고 중국과학원의 Zhizhi Sheng과 Xuetong Zhang은 연구에 첨부된 논평에서 썼다. 또한 에어로겔 섬유의 설명된 특성은 다른 산업에서도 흥미롭다.

다공성 구조 및 관련 특성으로 인해 캡슐화된 에어로겔 섬유는 멤브레인을 통한 물질의 흡착 또는 분리 또는 에너지 저장 재료와 같은 다양한 다른 응용 분야에 이상적이다. 그러나 이를 달성하려면 먼저 EAF 생산이 대량 제품에 맞게 최적화되어야 한다고 Sheng과 Zhang은 말했다. “재료와 생산을 동시에 발전시킴으로써 에어로겔 섬유는 많은 잠재적인 응용을 가질 수 있다”고 그들은 썼다.
(Science, 2023; doi: 10.1126/science.adj8013)
출처: 미국과학진흥협회(AAAS)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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