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스마트 센서

 

바이오 소재 연구 분야 중에서 가장 기대되고 흥미로운 분야는 스마트 센서이다. 이것은 그것이 가진 감각 능력과 이에 따른 학습 또는 기억 능력 덕분에 '스마트'라는 이름으로 불리고 있다. 이런 제품의 예로 냉장용 용기를 들 수 있다. 이 용기에는 센서가 장착돼 있어서 시간이 지남에 따라 색깔이 바뀜으로써 안에 든 식품의 유효 기간이 다 됐음을 알려준다. 비행기 운항 시 진동을 줄이고, 속도에 따라 공기의 흐름을 개선하기 위해 날개의 모양을 바꾸기도 하는 세라믹 발동 장치도 일종의 스마트 센서 제품이다. 어떤 건축용 스마트 센서는 지진의 진동까지 감지해 낸다. 의학 분야의 경우 스마트 소재가 실용화된 예는 무궁무진하다. 격자형 소재를 예로 들어보자. 매우 심각하게 손상되거나 화상을 입은 피부는 원래의 상태로 돌아오는 데 오랜 시간이 걸리거나 아니면 아예 돌아오지 않는 경우도 있다. 세포가 새로 자라나도 주변만 간신히 메우고 나머지 부분은 다 메우지 못해 심한 흉터를 남기게 된다. 이때 인공 격자 구조물이 있어서 새 세포들이 이 촘촘한 그물 모양의 구조를 신체의 일부로 인식하고 그 위에 자라난다면 빈 공간을 잘 메울 수 있을 것이다. 즉 흉터를 남기지 않고 최대한 원래대로 피부를 재생시킬 수 있을 것이다. 더욱 놀라운 것은 시간이 흐르면 이 인공 격자 구조물은 분해되고 세포만이 남게 된다는 사실이다. 흥미롭게도 이러한 격자형 신소재의 가장 좋은 모델은 구멍이 숭숭 뚫려 있는 산호이다. 또 다른 놀라운 예는 형태가 바뀌어도 원래의 크기와 모양을 기억하고 있는 스마트 소재이다. 예를 들어, 이러한 소재는 수중 파이프에 사용할 수 있다. 파이프를 물속에서 용접하는 것은 매우 어려운 작업이기 때문에 비용이 많이 든다. 스마트 소재로 만든 파이프는 냉각시키면 크기가 줄어들지만, 원래의 자기 크기를 기억하고 있다. 때문에 이 파이프를 냉각시켜 원하는 곳까지 운반해 조립을 한 다음 물속에 넣어두면 원래의 크기로 돌아가면서 서로 꽉 맞물리게 된다. 이렇게 하면 복잡하고 비싼 수중 용접을 하지 않아도 되는 것이다. 또 이 소재로 막힌 동맥 안을 긁어내는 특별한 모양의 외과용 수술 기구를 만들 수도 있다. 동맥 안을 긁어내려면 끝을 구부려야 하는데 이런 모양의 도구를 혈관 안에 삽입하게 되면 연약한 혈관 막을 손상시킬 우려가 있다. 그런데 스마트 신소재를 사용하면 혈관 안으로 들어갈 때와 나올 때는 곧은 모양을 유지하고, 치료를 할 때는 긁어내기 좋은 모양으로 구부러지게 할 수 있다.

 

 

 

바이오 섬유

 

이 세계에는 여러 가지 크기, 모양, 구조, 색깔을 가진 섬유들이 있다. 이 섬유들은 우리에게 입을 것, 먹을 것을 제공한다. 또한 사물을 볼 수 있도록 빛을 제공하며, 멀리 떨어진 곳에 있는 사람과 대화를 할 수 있게 해준다. 섬유는 이 세계를 하나로 묶어주는 역할을 한다. 천연의 생물학 소재와 인공 소재가 어떻게 함께 섞여서 새로운 소재로 탄생되는지를 잘 보여주는 예로 듀퐁에서 개발한 폴리에스터 신소재를 들 수 있다. 3GT라고 불리는 이 새로운 섬유는 잘 늘어나면서도 비단처럼 부드럽고 통기성도 우수하다. 이 섬유는 유화 석유가 아닌 박테리아의 배설물 즉 약간의 우윳빛이 나는 액체에서 뽑아낸 실로 짜여진다. 사실 실험실에서는 훨씬 오래전부터 이 화학 물질을 사용해 섬유를 짤 수 있었다. 또 어떤 종류의 박테리아가 화학 합성 물질인 글리세롤을 3GT로 바꿀 수 있는지도 알고 있었다. 하지만 박테리아와 글리세롤 모두 너무 비쌌다. 그래서 이 과학자들은 새로운 종류의 박테리아를 만들어냈다. 이 박테리아는 옥수수 시럽과 같이 쉽게 구할 수 있는 글루코오스를 사용해 3GT를 만들어냈다. 듀퐁은 아직 이 상품을 시장에 내놓지 않고 있지만, 현재 하이 브레드라는 옥수수 농장을 구입해 이 근처에 공장을 차릴 준비를 하고 있다. 이러한 새로운 폴리에스터가 나일론을 발명한 바로 그 회사에서 개발되었다는 점에서 그 의미가 더욱 크다. 아마도 나일론이야말로 최초의 현대적인 소재라고 할 수 있을 것이다. 듀퐁은 현재 바이오 실크의 개발에서도 앞서 나가고 있다. 바이오 실크는 거미와 같은 살아 있는 유기체를 이용해 만드는 섬유이다. 거미의 유전자 코드를 바꿔 끈적거리지 않는 거미줄을 만들어내 이것으로 섬유를 짜는 것이다. 이 유전자 조작된 거미줄은 강철보다 5배에서 10배는 더 강하고, 원래의 길이보다 20퍼센트나 길어질 수 있을 만큼 탄성도 높다. 이 바이오 실크의 경우 이미 무수한 응용 분야가 제시되고 있다. 외과 수술용 봉합실에서부터 인공 인대, 낙하산 줄, 심지어는 현수교에서까지 사용하려는 시도가 계속되고 있다. 섬유의 가장 뛰어난 용도 중 하나는 광케이블 가운데로 빛을 통과시켜 안정적으로 정보를 전달할 수 있다는 것이다. 광케이블이란 광섬유를 다발로 묶은 것으로서 이 광섬유 케이블은 매우 가늘고 가운데가 빈 튜브 구조로 되어 있으며 레이저 광선이 세어 나가지 않도록 코팅되어 있다. 빛의 파장 길이는 500 나노미터, 즉 2분의 1미크론이다. 이 광섬유 안에서는 빛이 약해지지 않고 빨리 통과하기 때문에 메시지를 매우 효율적으로 전달 하 ㄹ수 있다. 게다가 빛의 파장을 달리함으로써 하나의 광섬유를 이용해 여러 메시지를 동시에 전달할 수도 있다. 수년 동안 전화 회사들 사이에서는 더 이상 폭증하는 통신 수요를 감당할 수 없는 상황이 도래하리라는 염려가 있어왔다. 음성 녹음, 팩스, 여기에 인터넷까지 가세해 통신 데이터의 양이 정말 엄청났던 것이다. 하지만 광섬유가 이 문제를 해결했다. 이제 문제는 이 광섬유 케이블의 끝 부분에 있다. 컴퓨터 기반의 장비의 경우 한쪽 끝에서 빛을 보내면 다른 끝에서 전자를 받는 식으로 이뤄져 있는데, 이때 빛의 속도에 비해 전자가 광섬유 케이블을 통과하는 속도가 너무 느리다는 것이 문제다. 신호가 빛에서 전자로 바뀌는 과정에서 상당한 처리 시간이 소요되는 것이다. 다행히도 이 광학과 전자를 연결시켜 주는 광전자 시스템은 얼마 안 있어 완벽한 광시스템으로 대체될 것이다. 이렇게 되면 많은 장비들이 불필요해질 것이기 때문에 광컴퓨터는 매우 작아질 것이고 더 빨라질 것이다. 하지만 이것이 현실화되려면 많은 문제들을 해결해야만 한다. 우선 컴퓨터 칩 자체가 광신호를 생성할 수 있어야 한다. 불행하게도 실리콘이 칩의 주요 소재인데 실리콘은 이렇게 쉽게 빛을 발생시키지 못한다. 하지만 과학자들은 실리콘을 아주 얇은 몇 나노미터 정도의 선으로 가공하면 빛을 발생시킬 수도 있다는 사시을 밝혀냈다. 물론 이렇게 가공된 실리콘 선은 매우 약하기 때문에 빈 공간을 보호 물질로 채워야 한다. 시간이 좀더 흐르면 이러한 실리콘 선 없이도, 또 다른 어떤 중간 매체 없이도 칩과 칩 간의 직접 교신 시스템이 가능하게 될 수도 있다. 칩 안에 있는 소형화된 광섬유 케이블은 매우 빠른 속도, 즉 초당 200억에서 800억 회의 신호를 전달할 수 있을 것이다. 이것이 가능하려면 연구원들은 저렴하면서도 매우 복잡한 결정 구조, 즉 자기 변조기라고 알려진 유기 폴리머를 생성해 낼 수 있어야 한다. 이 유기 폴리머는 컴퓨터와 통신의 세계를 느리고 어두운 전자에서 눈이 멀 정도로 빠른 속도로 움직이는 광섬유로 대체할 것이다.

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