엔지니어들은 공기에서 물을 수동으로 수확하는 새로운 종류의 재료를 발견했습니다.

Penn Engineering의 화학 공학 연구실에서 우연히 발견한 것이 놀라운 발견으로 이어졌습니다. 외부 에너지가 필요 없이 공기에서 물을 끌어내어 기공에 모은 다음 표면으로 방출할 수 있는 새로운 종류의 나노 구조 재료입니다. Science Advances에 게재된 이 연구는 Daeyeon Lee, Russell Pearce 및 Elizabeth Crimian Heuer 화학 및 생체 분자 공학(CBE) 교수, Amish Patel CBE 교수, Lee 연구실의 박사후 연구원이자 첫 번째 저자인 Baekmin Kim, 그리고 뮌헨 공과대학교의 복합 소프트 물질 교수인 Stefan Guldin을 포함한 학제 간 팀에 의해 수행되었습니다.

이들의 연구는 건조한 지역의 공기에서 물을 모으는 새로운 방법과 증발의 힘을 사용하여 전자 제품이나 건물을 냉각하는 장치의 문을 열 수 있는 재료를 설명합니다.

"우리는 물을 모으려는 시도조차 하지 않았습니다."라고 Lee는 말합니다. "친수성 나노포어와 소수성 폴리머의 조합을 테스트하는 또 다른 프로젝트를 진행하던 중, 우리 연구실의 전 박사 과정생인 Bharath Venkatesh가 우리가 테스트하던 재료에 물방울이 나타나는 것을 발견했습니다. 말이 안 되는 일이었습니다. 그때부터 의문이 생기기 시작했습니다."

이러한 의문들은 새로운 유형의 양친매성 나노다공성 물질에 대한 심층 연구로 이어졌습니다. 이 물질은 친수성(물을 좋아하는 성질)과 소수성(물을 튕겨내는 성질)을 가진 성분을 독특한 나노스케일 구조로 결합한 것입니다. 그 결과, 공기 중의 수분을 포집하는 동시에 물방울 형태로 밀어내는 물질이 탄생했습니다.

물 수집 나노포어

물이 표면에 응결되면 일반적으로 온도가 낮아지거나 습도가 매우 높아져야 합니다. 기존의 물 수확 방식은 이러한 원리에 의존하며, 표면을 냉각하기 위한 에너지 투입이나 습한 환경에서 물을 수동적으로 모으기 위한 짙은 안개 형성이 필요한 경우가 많습니다. 그러나 Lee와 Patel의 시스템은 다르게 작동합니다.

이 소재는 냉각 대신 모세관 응축을 이용합니다. 모세관 응축은 습도가 낮더라도 수증기가 작은 기공 안에 응축되는 과정입니다. 이는 새로운 기술이 아닙니다. 새로운 점은 이 시스템에서는 물이 일반적으로 이러한 유형의 소재처럼 기공 안에 갇혀 있지 않다는 것입니다.

"일반적인 나노다공성 물질에서는 물이 기공으로 들어가면 그대로 머물러 있습니다."라고 파텔은 설명합니다. "하지만 저희 물질에서는 물이 이동하여 먼저 기공 내부에서 응축된 후 물방울 형태로 표면으로 나옵니다. 이러한 현상은 이러한 시스템에서 이전에는 관찰된 적이 없었기에 처음에는 관찰 결과에 의문을 품었습니다."

물리학을 거부하는 물질

무슨 일이 일어나는지 이해하기도 전에, 연구진은 실험실의 온도 구배와 같은 실험 설정상의 오류로 인해 물이 단순히 재료 표면에 응축되는 것이라고 생각했습니다. 이를 배제하기 위해, 그들은 재료의 두께를 늘려 표면에 모이는 물의 양이 변하는지 확인했습니다.

"만약 우리가 관찰한 것이 표면 응축으로 인한 것이라면, 재료의 두께는 존재하는 물의 양을 변화시키지 않을 것입니다."라고 Lee는 설명합니다.

그러나 필름의 두께가 두꺼워질수록 수집된 총 물의 양이 증가하여 표면에 형성된 물방울은 재료 내부에서 나왔다는 것이 증명되었습니다.

더욱 놀라운 점은 열역학에서 예측한 대로 물방울이 빠르게 증발하지 않았다는 것입니다.

"물방울의 곡률과 크기로 볼 때 증발했어야 합니다."라고 파텔은 말합니다. "하지만 그렇지 않았습니다. 오랫동안 안정적으로 유지되었습니다."

물리 법칙에 저항할 수 있는 잠재적인 소재를 손에 넣은 Lee와 Patel은 결과가 재현 가능한지 확인하기 위해 공동 연구자에게 디자인을 보냈습니다.

굴딘은 "우리는 다양한 조건에서 다공성 필름을 연구하며, 빛의 편광 변화를 미묘하게 변화시켜 복잡한 나노스케일 현상을 탐구합니다."라고 말했습니다. "하지만 이런 현상은 본 적이 없습니다. 정말 흥미진진하며, 새롭고 흥미로운 연구에 분명 활력을 불어넣을 것입니다."

응축과 방출의 안정화된 사이클

그들은 물을 끌어들이는 나노입자와 물을 밀어내는 플라스틱의 적절한 균형을 갖춘 소재인 폴리에틸렌을 만들어 이 특별한 특성을 지닌 나노입자 필름을 만들어냈습니다.

"우연히 최적의 지점을 찾았어요."라고 Lee는 말합니다. "물방울은 아래 기공에 숨겨진 저장고와 연결됩니다. 이 저장고는 공기 중 수증기를 통해 지속적으로 보충되는데, 이는 친수성과 발수성의 완벽한 균형을 통해 가능한 피드백 루프를 형성합니다."

수동 물 수확 및 기타를 위한 플랫폼

물리학을 거스르는 거동 외에도, 이 소재의 단순성은 이 소재를 유망하게 만드는 요소 중 하나입니다. 확장 가능한 제조 방식을 사용하여 일반적인 폴리머와 나노입자로 제작된 이 필름은 건조 지역의 수동 수분 수확 장치, 전자 제품 냉각 표면, 또는 주변 습도에 반응하는 스마트 코팅에 통합될 수 있습니다.

"우리는 아직 그 메커니즘을 밝혀내고 있습니다."라고 파텔은 말합니다. "하지만 그 잠재력은 매우 흥미롭습니다. 우리는 복잡한 환경에서 세포와 단백질이 물을 어떻게 조절하는지에 대한 생물학 지식을 바탕으로 더 나은 소재를 설계하는 데 적용하고 있습니다."

리는 "이것이 바로 펜실베이니아 대학교가 가장 잘하는 일입니다. 화학공학, 재료과학, 화학, 생물학의 전문지식을 모아 큰 문제를 해결하는 것이죠."라고 덧붙였다.

다음 단계에는 친수성 및 소수성 성분의 균형을 최적화하는 방법, 실제 사용에 맞게 재료를 확장하는 방법, 수집된 물방울을 표면에서 효율적으로 굴리는 방법을 조사하는 것이 포함됩니다.

궁극적으로 연구진은 이 발견이 건조한 기후에서 깨끗한 물을 공급하는 기술이나 공기 중에 이미 존재하는 수증기만을 활용하는 더욱 지속 가능한 냉각 방법으로 이어지기를 바라고 있습니다.

본 연구는 미국 국립과학재단(NSF-2309043 및 NSF-1933704), 에너지부 보조금(DE-SC0021241), Semilab UCL 화학공학 영향 박사과정 장학금, 미국 국립과학재단 대학원 연구 펠로우십 프로그램 보조금(DGE-2236662), Alfred P. Sloan 연구재단 보조금(FG-2017-9406), Camille & Henry Dreyfus 재단 보조금(TG-19-033)의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/05/250521161126.htm