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거미줄, 딱정벌레와 전복의 껍질, 상어 지느러미, 인간의 뼈….자연에서 흔히 볼 수 있는 생물들이 갖고 있는 물질이다.그런데 이들 재료가 과학자들이 부러워하는 첨단 소재로 사용될 수 있다면….자연에 숨겨져 있는 첨단 소재들을 만나보자.

“가볍고 질기고 신축적인 첨단 소재가 독일에서 개발됐습니다. 이 첨단 소재는 쓰임새도 다양한 꿈의 소재입니다. 낙하산이나 방탄복처럼 강하면서도 가볍고 탄력성을 요하는 재질로 적격입니다. 베를린에서 ○○○ 특파원입니다.”

얼마 전 모방송국 9시 뉴스에 나온 내용이다. 뉴스에서는 말 그대로 꿈의 소재라 부를 만큼 다양한 용도로 사용할 수 있는 첨단 소재를 소개했다. 독일 라이프니츠 연구소에서 개발했다는 이 소재는 의학 분야에도 사용될 수 있다고 한다. 수술할 때 상처부위를 꿰매는데 이용하면 몸속에서 저절로 녹아버리기 때문이다. 수술 후 귀찮게 실을 찾아 제거할 필요가 없다는 얘기다. 이처럼 놀라운 첨단 신소재의 정체는 무엇이었을까. 바로 인공적으로 만든 거미줄이었다.

강철보다 10배 강한 거미줄

첨단 소재의 정체를 알고 나서 약간 실망했을 수도 있다. 거미줄이 첨단이라는 단어와는 거리가 너무 먼 듯 느껴지기 때문이다. ‘거미줄’ 하면 오히려 아주 오래된 구식 집에 쫘악 펼쳐져 있는 모양새가 가장 잘 어울리는 듯하다. 사실 대부분의 사람들은 집안 구석에서 거미줄을 발견하면 “청소를 참 안했구나”하고 반성하는 정도다.

그런데 이렇게 하찮아 보이는 거미줄이 가진 능력을 제대로 알면 놀랄 수밖에 없다. 만약 거미줄로 옷감을 짜면 같은 두께의 강철보다 10배는 강하다. 철사줄 정도의 두께로만 뽑아낸다면 피아노도 천장에 너끈히 매달 수 있을 정도다. 강도뿐만 아니라 유연성도 대단하다. 여간해서 끊어지지 않는다는 말이다. 한 예로 한가닥의 거미줄을 수십km까지 늘리는데 성공했다는 연구도 있다.

비단 거미줄뿐만이 아니다. 자연에는 우리가 믿을 수 없는 꿈의 발명품들이 널려 있다. 생물은 신이 설계한 작품이라고 비유되는 이유다. 인간이 만든 제아무리 훌륭한 발명품이라고 하더라도, 생물에 비하면 한참은 모자란다. 생물은 35억년이라는 오랜 시간 동안 지구의 가혹한 환경에 적응하면서 끊임없이 다듬어졌기 때문이다.

최근 이처럼 놀라운 생물에게서 한수 배우는 학문이 활기를 띠고 있다. 바로 생체모방공학(biomimetics)이라 불리는 분야다. 생체모방공학이란 말 그대로 생명체가 만드는 물질, 행동, 구조 등 모든 것에 대해 연구해 뛰어난 생명체의 능력을 흉내내는 과학분야다.

탱크 장갑에서 깨지지 않는 안경까지

가끔 식탁에 등장하는 전복. 거미줄처럼 별 볼일 없어 보이는 전복도 화학공학자들이 부러워하는 첨단 소재를 갖고 있다. 바로 강도 높은 껍질이다.

전복의 껍질은 석회, 즉 칼슘카보네이트와 천연 고분자로 이뤄져 있다. 그런데 전복 껍질은 이 물질들을 단순히 혼합한 경우보다 1천배 이상 더 강하다. 인간이 만든 최고 강도의 세라믹(금속을 제외한 무기물을 사용해 만든 재료의 통칭)보다도 2배 정도 더 강하다고 한다.

전세계적으로 이렇게 단단한 전복 껍질에 대해 여러 연구가 이뤄졌다. 미국 워싱턴대 연구팀은 전복껍질의 분자 배열을 분석해 전투에 사용되는 탱크의 철갑을 만들어냈다. 또 일본 통산성 공업기술원 오오사까공업기술연구소에서는 껍질 구조를 모방한 새로운 세라믹을 개발했다.
한편 산디아국립연구소의 제플리 브링커와 알렌 셀린저는 전복 껍질에 관한 흥미로운 연구를 1998년 7월 16일자 네이처지에 발표했다. 바로 전복처럼 강력한 껍질을 만드는 방법을 찾아낸 것이다. 전복 껍질이 강할 수 있는 비밀은 단단한 칼슘과 고무성질을 갖는 천연 고분자가 반복해 층을 이루는 구조에 있다. 강한 부위에 균열이 생기면 이 균열이 번지는 것을 부드러운 부위가 즉시 막아줌으로써 손상이 더 이상 번지지 않는 것이다.

사실 이렇게 복잡한 층을 기존의 방법으로 합성하려면, 매우 귀찮고 비용이 많이 든다. 그런데 전복은 이 작업을 단번에 해치운다. 연구팀은 단단한 층을 갖고 있는 대상에 부드러운 층을 만들어 주는 용액을 사용해 코팅하는 방법으로 전복을 흉내냈다. 즉 용액에 포함돼 있는 친수성(물에 가까워지려는 성질)과 소수성(물을 싫어해 멀리 떨어지려는 성질)을 모두 갖고 있는 특수한 계면활성제가 마이셀(물을 싫어하는 부위들이 모여져서 만들어진 공과 같은 입자)이 돼 전복의 천연고분자처럼 부드러운 층을 만들어 줬다는 얘기다.

전복 껍질과 같은 다층구조를 만들어 주는 용액은 투명하고, 스프레이처럼 뿌리면 되기 때문에 여러 분야에 사용될 수 있다. 표면이 결코 긁히지 않은 안경렌즈나 거울, 유리 등이 가능하다. 또 가벼운 사고로도 자동차 페인트가 벗겨지는 것을 걱정할 필요가 없게 된다.

뼈를 절연체로 사용하는 로켓

로켓에는 수많은 부품이 사용된다. 이들 부품은 물론 고유의 기능을 갖고 있다. 그러나 공통적으로 갑작스러운 충격에 파괴되지 않을 만큼 단단해야 한다. 그러면서도 무게가 가볍다면 연료가 절감돼 더욱 좋을 것이다.

1997년말 미국 탄도미사일방어기구(BMDO)의 후원을 받은 울트라멧사는 로켓의 절연체로 사용할 첨단 소재를 개발했다. 전기가 통하지 않는 절연체의 역할을 하는 동시에 커다란 충격도 흡수할 수 있는 소재다. 연구팀은 다름 아닌 인간의 뼈를 모방해 이 소재를 만들었다.

인간의 뼈는 상당히 튼튼하다. 외부의 누르는 힘에 잘 견디고, 쉽게 깨지거나 부러지지 않는다. 더욱이 다공성의 독특한 구조 때문에 무게가 상당히 가볍다. 연구팀은 이런 특성을 모방해 티타늄으로 코팅된 다공성 탄소재료를 만들었다.

로켓 절연체를 위해 만든 이 재료는 실제 인간의 뼈와 호환성도 뛰어나다. 뼈 대신 사용할 수 있을 만큼 똑같다는 얘기다. 현재 임플렉스사에 의해 의학용으로 상품화가 이뤄졌는데, 수술실에서 뼈의 대체재료로 사용되고 있다.

뼈와 비슷한 이빨도 모방 대상이다. 이빨은 상당히 단단하고 여간해서 깨지지 않는다. 이빨이 얼마나 단단한지는 쥐의 경우를 보면 알 수 있다. 쥐의 이빨은 심지어 철선을 갉아대도 결코 상하지 않는다. 이와 같은 이빨의 구조를 흉내내 ‘산화티타늄’으로 된 단단한 소재를 개발하고 있다.

홍합 이용해 인공피부 개발

바다에 사는 홍합도 뛰어난 재주를 갖고 있다. 홍합은 아무리 심하게 파도가 쳐도 바닷가 바위에서 결코 떨어지는 법이 없다. 과학자들이 홍합을 주목하는 이유다. 홍합이 바위에 붙는데 사용하는 생체물질을 연구하면 새로운 개념의 접착제가 가능하기 때문이다. 바로 물에 젖어도 상관없이 결코 떨어지지 않는 첨단 접착제다.

한국과학기술원 화학공학과 이상엽 교수는 홍합을 연구해 생체접착제 개발에 성공했다. 홍합이 바위에 단단히 붙어 있는데 사용하는 접착 단백질은 10개의 아미노산이 반복돼 있는 구조다. 이 교수는 이러한 단백질을 만드는 유전자 부위를 대장균에 넣어 대량생산에 성공했다.

이 교수가 개발한 홍합 접착제는 물에 젖을수록 더욱 강력한 접착 능력을 자랑한다. 홍합 접착제는 의학에서 혁명과 같은 변화를 몰고 올 수 있다. 예를 들어 의사는 환자를 수술한 후 상처를 실로 꿰맬 필요 없이 접착제를 바르기만 하면 된다. 환자가 회복한 후 실을 귀찮게 제거할 필요가 없을 뿐더러 회복도 더욱 빨라질 것이다.

한편 미국에서는 홍합의 콜라겐(힘줄 등에 있는 단백질) 섬유를 이용해 사람의 피부보다 5배나 질기고 16배나 잘 늘어나는 인공피부를 만드는 연구하고 있다.

비행기와 수영복에 붙어 있는 상어비늘

잠수함을 설계하는데 바탕이 됐다고 하는 늘씬한 모양의 상어. 상어의 비늘을 살펴보면 미세한 작은 돌기(리블렛, riblet)가 있음을 알 수 있다. 미국항공우주국(NASA) 랭글리연구소는 상어 비늘의 작은 돌기가 유체의 마찰저항을 줄인다는 사실을 발견했다.

이 연구 결과는 운송회사의 큰 관심사가 됐다. 한 예로 항공기의 경우 10%만 공기 마찰을 줄여도 연료 절감을 통해 이익이 무려 40%나 늘어나기 때문이다.

우리나라의 공학자가 상어 비늘을 흉내낸 필름 개발에 관여했다. 1992년 서울대 기계항공우주공학과 최해천 교수는 미국 스텐퍼드대에서 상어의 비늘이 왜 유체의 저항을 줄이는지 밝혀냈다. 1993년 미국항공우주국 에임스연구소로 자리를 옮긴 최 교수는 비늘을 모방한 필름을 항공기에 붙이면 최대 9%까지 공기 저항을 줄일 수 있다는 사실도 입증했다.

현재 상어 비늘 필름은 쓰리엠사에 의해 실용화돼 비행기에 적용되고 있다. 캐세이 패시픽은 민간항공사로는 최초로 인공 상어 비늘 필름을 비행기 표면에 붙였다.

작년에 열린 시드니 올림픽에도 이와 똑같은 원리의 상어 비늘이 등장했다. 바로 수영 종목에서 사용된 전신 수영복이다. 수영 선수들은 수억년 동안 바다에 살며 터득한 상어의 지혜를 입고, 0.01초의 기록을 앞당기고 있는 것이다.

인공 광합성 물질까지

딱정벌레의 껍질은 인간이 만든 어떤 소재보다 더 가벼우면서도 단단해 여간해서 흠집이 생기지 않는다. 딱정벌레 껍질로 만들어진 군복을 군인이 입는다면, 전쟁에서 무적이 될 수 있다는 얘기다.

집안 구석에 나타나면, 눈을 찌푸리게 만드는 바퀴벌레도 첨단 소재를 갖고 있다. 바퀴벌레의 껍질은 휘발유에 결코 변하지 않는 레실린이라는 단백질로 구성되며, 탄력도 아주 좋다. 바퀴벌레 껍질로 만든 장갑은 늘 기름을 만져야 하는 정비사에게 최고로 좋은 선물이 될 것이다.
개울가에서 볼 수 있는 개구리의 가장 큰 자랑은 엄청난 힘을 지닌 뒷다리의 근육이다. 현재 미국 매사추세츠공대는 국방부의 지원을 받아 개구리 근육을 연구하고 있다. 개구리 근육을 장착한 로봇의 등장도 결코 꿈만은 아니다.

호주의 과학자들은 식물에서 획기적인 소재를 개발하고 있다. 바로 광합성을 하는 클로로필을 모방한 인공 광합성 물질이다. 클로로필은 대기중의 이산화탄소를 흡수해 당과 다른 탄소화합물을 생산한다. 이를 모방한 인공 광합성 물질도 지구온난화의 주범이라는 이산화탄소를 흡수한다. 온실효과에 대처할 수 있게 된다는 얘기다.

생체모방공학에 비해 자연의 생물들은 비교할 수 없을 만큼 오랜 역사를 가지고 있다. 앞으로도 생물을 통해 배우는 첨단 소재들이 계속 등장할 전망이다.

인류의 탄생과 함께 시작된 생체모방

‘자연에서 아이디어를 얻는다.’ 생체모방공학의 핵심 개념이다. 그런데 이것은 최근에 등장한 새로운 개념이 아니다. 생체모방공학의 아이디어는 거의 인류의 탄생과 함께 시작됐다고 할 수 있다. 원시시대에 사용되던 칼과 화살촉과 같은 사냥도구는 육식동물의 날카로운 발톱을 모방해 만들어졌다.

오래된 신화에도 생체를 모방한 내용이 등장한다. 그 주인공은 바로 그리스신화에 등장하는 다이달로스다. 다이달로스는 물건을 만드는데 뛰어난 재주를 갖고 있었다. 작자를 알 수 없는 그리스 조각품들은 모두 그가 만들었다는 말이 있을 정도다. 그는 크레타섬에 미노스왕을 위해 미궁을 만들었다고도 전해진다.

다이달로스는 새의 날개를 모방해 깃털과 밀랍으로 날개를 만들어 아들에게 붙여줬다. 날개를 얻은 그의 아들은 아버지의 주의를 잊고 하늘 높이 날았다. 결국 태양에 가까워지면서 날개를 붙인 밀납이 녹는다. 에게해에 빠져 죽었다는 그 아들의 이름이 이카로스다.

신화뿐만 아니라 실제 생물에게서 한수 배운 이야기들도 여럿 있다. 15세기 이탈리아의 천재적인 미술가 레오나르도 다 빈치는 과학적인 측면에서 흥미로운 그림들을 많이 남겼다. 바로 하늘을 나는 새를 관찰하고 설계한 비행기 도면이다. 다빈치의 설계 도면은 비행기와 헬리콥터의 이론적 기반을 제공했다고 한다.

우리나라의 이순신 장군은 거북을 모방해 만든 거북선을 사용해 한산도대첩을 커다란 승리로 이끌었다. 라이트 형제는 대머리수리가 나는 것을 보고 비행기를 만들었다.

3천년 전 고대 중국에서는 인공 실크를 만드는데 도전했다. 실크는 부드럽고 우아할 뿐만 아니라 높은 탄력과 강도를 갖고 있다. 그러나 누에에서 직접 뽑아내야 하기 때문에 대량생산이 곤란하고 가격이 비싸다는 단점을 갖고 있다. 인공 실크를 만들려는 노력은 당시의 기술수준 때문에 실패할 수밖에 없었다.

​사실 생체모방공학이라 부를 수 있을 만큼 정교한 작업이 가능해진 것은 아주 최근의 일이다. 인간의 상상력에 걸맞은 물건을 만들 수 있는 도구들이 최근에서야 개발됐기 때문이다.