과학자들은 공기 중의 CO₂를 포집하는 살아있는 건축 자재를 개발했습니다.

피코플랑크토닉스는 광합성 구조로 만들어진 대형 오브제를 선보입니다. 사진 제공: 발렌티나 모리/ 베니스 비엔날레

이 아이디어는 미래지향적인 듯합니다. 취리히 연방공과대학교(ETH Zurich)에서는 다양한 학문 분야가 협력하여 기존 소재를 박테리아, 조류, 균류와 결합하고 있습니다. 공동 목표는 미생물의 신진대사를 통해 유용한 특성을 갖는 살아있는 소재를 만드는 것입니다. 취리히 연방공과대학교 고분자공학과 마크 티빗 교수는 "광합성을 통해 공기 중의 이산화탄소를 결합하는 능력과 같은 " 것이 그 예라고 말합니다.

티빗이 이끄는 학제간 연구팀은 이러한 비전을 현실로 만들었습니다. 광합성 박테리아(시아노박테리아)를 인쇄 가능한 젤에 안정적으로 통합하여 살아 있고 성장하며 공기 중 탄소를 적극적으로 제거하는 소재를 개발했습니다. 연구진은 최근 Nature Communications 저널에 이 "광합성 생물 소재"를 발표했습니다 .

주요 특징: 이중 탄소 격리

이 소재는 3D 프린팅을 통해 형태를 만들 수 있으며, 성장에는 이산화탄소 외에도 쉽게 구할 수 있는 영양소가 포함된 햇빛과 인공 해수만 필요합니다 . ETH 취리히에서 생체 소재 연구를 공동으로 진행한 티빗은 "건축 자재로서, 미래에는 건물에 이산화탄소를 직접 저장하는 데 도움이 될 수 있습니다."라고 말합니다 .

이 생물체의 특별한 점은 이 생물체가 유기물 성장을 통해 흡수하는 것보다 훨씬 더 많은 이산화탄소를 흡수한다는 것 입니다. 티빗은 "이 생물체는 바이오매스뿐만 아니라 광물 형태로도 탄소를 저장할 수 있기 때문입니다. 이는 이 남세균의 특별한 특성입니다."라고 밝혔습니다.

이 연구의 두 주저자 중 한 명인 이판 추이(Yifan Cui)는 이렇게 설명합니다. "남조류는 세계에서 가장 오래된 생명체 중 하나입니다. 광합성 효율이 매우 높고, 아주 약한 빛도 활용하여 이산화탄소와 물로부터 바이오매스를 생산할 수 있습니다."

동시에, 박테리아는 광합성을 통해 세포 외부의 화학적 환경을 변화시켜 석회와 같은 고체 탄산염을 침전시킵니다. 이러한 광물은 추가적인 탄소 흡수원 역할을 하며, 바이오매스와 달리 이산화탄소를 더 안정적인 형태로 저장 합니다.

주요 건설자로서의 남조류

"저희는 이 능력을 저희 소재에 특별히 활용하고 있습니다."라고 티빗 연구팀의 박사과정 학생인 쿠이는 말합니다. 실용적인 부수적인 효과로, 광물이 소재 내부에 침착되어 기계적으로 강화됩니다. 이렇게 하면 남세균이 처음에는 부드러웠던 구조를 서서히 단단하게 만듭니다.

실험실 실험 결과, 이 물질은 400일 동안 CO2를 지속적으로 결합하는 것으로 나타났으며, 그 대부분은 광물 형태로 존재했습니다. 즉, 물질 1g당 약 26mg의 CO2가 결합된 것입니다. 이는 많은 생물학적 접근법보다 훨씬 높은 수치이며, 재활용 콘크리트의 화학적 광물화(1g당 약 7mg의 CO2)와 비슷한 수준 입니다 .

서식지로서의 하이드로젤

살아있는 세포를 담는 운반체는 하이드로젤입니다. 하이드로젤은 수분 함량이 높은 가교 중합체로 만들어진 젤입니다. 티빗 연구팀은 빛, 이산화탄소, 물, 영양소를 운반하고 세포가 물질 내부를 벗어나지 않고 고르게 분포할 수 있도록 이 중합체 네트워크를 선택 했습니다.

연구진은 남조류가 가능한 한 오래 살고 효율성을 유지할 수 있도록 3D 프린팅 공정을 사용하여 구조의 기하학적 구조를 최적화하여 표면적을 늘리고, 빛의 투과율을 높이고, 영양소의 흐름을 촉진했습니다.

공동 제1저자인 달리아 드란세이케는 "이런 방식으로 빛을 투과시키고 모세관력을 통해 영양액을 몸 전체에 수동적으로 분배하는 구조를 만들었습니다."라고 말했습니다. 티빗 연구팀의 재료 연구원은 이러한 설계 덕분에 캡슐화된 남조류가 1년 이상 생장했다고 보고하며 기쁘게 밝혔습니다.

탄소 흡수원으로서의 인프라

연구진은 이 살아있는 소재를 대기 중 이산화탄소를 흡착하고 탄소 격리를 위한 기존 화학 공정을 보완할 수 있는 저에너지 친환경적 접근법으로 보고 있습니다. 티빗은 "향후 이 소재를 건물 외벽 코팅재로 사용하여 건물의 전체 수명 주기 동안 이산화탄소를 흡착하는 방법을 연구할 계획입니다" 라고 밝혔습니다.

아직 갈 길이 멀지만, 건축 분야의 동료들은 이미 이 개념을 받아들여 실험적인 방법으로 초기 해석을 실현했습니다.

베니스와 밀라노의 두 개의 설치

ETH 박사과정생 안드레아 신 링 덕분에 ETH 연구실의 기초 연구가 베니스 건축 비엔날레의 주요 무대에 오를 수 있었습니다. "연구실 규모에서 실내 규모로 제작 과정을 확장하는 것이 특히 어려웠습니다."라고 이 연구에도 참여한 건축가이자 바이오 디자이너인 그는 말합니다.

링은 ETH 벤저민 딜렌버거 교수의 디지털 건축 기술 학과에서 박사 학위를 취득하고 있습니다. 그녀는 논문에서 기능성 남세균을 포함하는 살아있는 구조물을 건축적 규모로 프린팅할 수 있는 바이오 제작 플랫폼을 개발했습니다.

캐나다관의 피코플랑크토닉스 설치 작품에서 프로젝트팀은 인쇄된 구조물을 살아있는 블록처럼 사용하여 두 개의 나무줄기 모양의 물체를 만들었는데, 가장 큰 것은 약 3미터 높이입니다. 남세균 덕분에 이 물체들은 각각 연간 최대 18kg의 이산화탄소를 흡수할 수 있는데, 이는 온대 지역의 20년생 소나무 한 그루와 비슷한 양입니다.

"이 설치는 일종의 실험입니다. 캐나다관을 개조하여 남세균이 번성할 수 있도록 충분한 빛, 습도, 그리고 온기를 제공하도록 한 후, 그들의 행동을 관찰합니다."라고 링은 말합니다. 이는 헌신적인 노력의 결과입니다. 팀은 현장에서 매일 설치물을 모니터링하고 관리하며, 11월 23일까지 운영합니다.

제24회 밀라노 트리엔날레에서 다프네의 피부(Dafne's Skin)는 미래 건축 외장재로 활용될 수 있는 살아있는 재료의 잠재력을 탐구합니다. 나무 널로 덮인 구조물 위에서 미생물들은 시간이 지남에 따라 목재를 변화시키는 짙은 녹색의 녹청을 형성합니다. 부패의 흔적은 이산화탄소를 결합하는 활성적인 디자인 요소가 되어 미생물 과정의 미학을 강조합니다. 다프네의 피부는 MAEID 스튜디오와 달리아 드란세이케의 협업으로 제작되었으며, "We the Bacteria: Notes Toward Biotic Architecture" 전시의 일환으로 11월 9일까지 진행됩니다.

광합성 생체 소재는 ALIVE(Advanced Engineering with Living Materials) 의 틀 안에서 학제 간 협력을 통해 개발되었습니다 . ETH 취리히 이니셔티브는 다양한 분야의 연구자들 간의 협력을 장려하여 광범위한 응용 분야에 활용 가능한 새로운 생체 ​​소재를 개발합니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/06/250620231906.htm