'바이오 모방'이란 최첨단 연구 분야에 대해 알 수 있는 남기태 교수의 강의를 들었다. 생물학과 화학을 바탕으로 재료공학이 환경을 살리는 역할을 하고 있음을 보게 됐다.
조금은 어려웠지만 광합성에서 배우는 지속가능성이란 면을 접할 수 있어서 만족스러웠다. 아래는 남 교수의 강의를 정리했다.
재료공학에서 어떤 연구를 하고 앞으로 어떻게 발전할지 방향성의 고민을 함께 나누고 싶다.
생명체에서 배우는 재료의 미래를 네 가지로 요약했다.
1. 복잡계 chemical network.
과학 100년 사를 보면 미니멈 프라블럼만 다룬다. 생명체는 여러 패러미터가 서로서로 연결되어 있다.
2. 상호작용 reversible and cooperative interaction
3. 지속가능성 sustainability, not the most efficient 생명체는 효율성이 아니라 지속가능성이다. 생명체가 가진 메커니즘에서 일정 수준을 만족한다. 우리도 100미터 달리기를 계속하지 않고 일정한 속도로 걷는다. 자기의 능력의 최대가 아닌 지속가능성을 유지한다.
4. 상대성의 존재 coupled interaction
왼손과 오른손, 음과 양처럼 생명체를 공부할수록 철학자가 된다.
코로나 바이러스 백신 및 치료제 개발의 복잡계도 유사하다. 최근에 네이처에 코로나 바이러스 백신과 치료제를 개발할 때 통계 분석한 것을 서로 연결한 그림을 보면 코로나 백신을 연구할 때도 복잡계를 고려해서 키 패러미터를 찾아간다.
여러 패러미터가 연결되어 있고 상호작용한다. 생명체는 이를 효과적으로 이용한다. A상태에서 B상태로 갈 때 에너지 배리어가 있다. B에서 A로 혹은 C로 갈 수 있다. Li-Mn-O 개발할 때도 상호작용을 이해해서 하고 있다.
과학자들은 핵심이 되는 파트를 어떻게 뽑아낼 수 있을까. 과거 100년은 과학자들이 패러미터 하나나 두 개를 가지고 연구했다. 그런 면에서 AI라는 딥 뉴럴 네트워크가 재료 연구에도 필요하다고 생각한다.
인류의 미래에 있어 가장 큰 이슈가 이산화탄소다. 과연 인류가 해결할 수 있을까 회의도 든다. 공부할수록 더 복잡한 문제고 싱글 솔루션이 있을까 고민이 된다. 암을 완치할 수 있는가 보다 더 큰 이슈로 보인다.
Annual CO2 Emission by all of us: 7.9 billion ton
CO2 Capturing may not be an ideal solution: CO2+CaO -> CaCO3 하면 Large amount of CO2 solid should be deposited.
Did you know about CO2 emission?
광합성으로부터 배울 수 있는 교훈을 보자.
식물은 물과 햇빛을 통해 이산화탄소를 글루코스를 만든다.
광합성도 연료전지 양극과 음극처럼, 산화와 환원이 일어나는 파트가 있다. 전자가 빠져나오면 산화, 들어가면 환원이다.
물이 왜 필요한가 고민하면 물이 산화되는 것이다. 전자가 빠져나간다. 전자 관점에서 보면 빛으로 물에서 전자를 빼내서 이산화탄소를 환원시키는데 활용한다.
배울 수 있는 게 너무너무 많다. 어떻게 전자를 빼내지, 태양 에너지라는 지속 가능한 에너지 소스를 사용한다. 물이 전자를 저장할 수 있는 방법이다. 빛을 쏘이니 전자가 올라간다.
Mn 네 개, Ca 하나, W 물이 있고 단백질 안에 쌓여 있다. 코로나 이후 바이오에 대한 이해가 높아졌다. 단백질의 일부인 펩타이드로 쌓여 있다.
펩타이드가 물에서 전자를 빼낼 때 아주 효과적으로 빼내는 촉매다. 아주 지속 가능한 토양에도 많은 Mn이란 물질을 포함하고 있다. 그러면 인류가 Mn을 가지고 촉매를 만든다고 하면 광합성만큼 나올까? 하지만 자연계처럼 절대 작동하지 않는다.
자연에서의 Mn은 아주 잘 된다. 펩타이드가 주변에 있으므로 결정구조가 바뀌면서 촉매의 효과가 증가한다. mutation이 나타난다. 자연계는 특정 시퀀스를 가지고 있을 때 Mn이 촉매 역할을 하고 그렇지 않으면 촉매 역할을 하지 않는다. 상호작용한다.
Lesson from Biological Chiral CaCO3 자연 상태 탄산칼륨의 카이랄 성으로부터의 교훈
조개껍질을 자세히 보면 층상구조를 이룬다. 칼슘 카보 네이드와 단백질이 층상을 이룬다. 어떤 조개껍질은 시계방향, 어떤 건 반시계 방향이다. 세포 4개가 만들어질 때 어느 한 방향으로 틀어지기 시작한다.
그 안에서의 원리를 살펴보면 그 안에서 단백질이 중요하다. 애벌레도 꼬여가는데 세포가 몇 개 있을 때 꼬여가기 시작한다.
공통분모를 보면 초창기에 나오는 방향성을 제어하면 전체적인 변화를 만들 수 있다는 교훈을 얻을 수 있다.
어떤 용액에 정팔면체 파티클(50 나노: 머리카락의 1000분의 1)을 넣고 단백질 시퀀스를 집어넣으면 자라는 동안에 시퀀스에 맞는 패턴으로 자란다.
스파이크 단백질과 같이 어떤 단백질이 새로운 형태를 만들 수 있다는 사실을 알게 되었다.
카이롤 형상을 가진다. 왼손 오른손처럼 되어 있다. 이런 구조체를 인류가 만들 수 있다는 것을 알게 되었다. 이런 구조는 없는 구조다. 이름을 432 Helicoid III라고 붙였다.
로봇을 만든 로봇을 휴머노이드, 펩타이드와 유사하면 펩타이드 그래서 헬리코이드라고 붙였다. 이 과정이 자신감을 주었다. 인류가 모르는 나노입자를 만들 수 있구나. 응용할 수 있는 분야는 무엇일까?
카이랄 갭 원자 모델 시뮬레이션에 적용. 생체모방 재료
제약에서는 왼손 분자를 만드냐 오른손 분자를 만드냐가 중요하다. 왼손은 약이나 오른손은 독약이 될 수 있다. 지금까지는 인류가 컨트롤 못했다. 자연계에서는 카이럴로 존재한다.
첫 번째 응용으로 하는 것이 스웨덴 그룹과 협업해서 D글루코스를 선택적으로 선택하는 촉매제를 만들고 있다. 금속물질이 카이런 성을 가지고 바이오분자를 제어할 수 있는 분야다.
두 번째는 빛의 Polarization을 제어할 수 있다. 전자파들이 오는데 이 파티클을 마주치면 전자파가 한 방향으로 얼라인 되어 특이한 광학적 성질을 나타낸다.
robotic discovery of materials. 연구원이 3개월 정도 걸려야 결과가 나온다. 연구실에 로봇을 도입했다. 앞으로 수년간 어떤 일들이 발생할까 예측해보면 로봇이 단순 반복이 아니라 실제 실험을 수행할 것이다.
협동 로봇이 나노파티클 만드는데 연구원이 3달 걸리는걸 훨씬 많은 양들을 만드는데 분석까지 로봇이 해서 다음 실험세트까지 만드는 것을 컴퓨터가 한다.
대학이나 실험실에서 나오는 것이 어떤 알고리즘으로 기업에 전달할 것이다. 다만 해결해야 할 일이 많다. 차세대 융합기술원과 함께 파이펫을 로봇팔에 붙여서 이를 시각적으로 인식하며 넣는다. 로봇팔 하나하나가 왜 중요하냐면 과정마다 팔을 바꿔서 일한다. 대학에서 이런 연구가 일어나고 있다는 것을 말씀드린다.
수소의 시대가 올 거라로 예상하고 있다. 2020년에서 30년까지 상당한 수소가 생산될 거라 예측한다. 블루수소와 그린수소(물로부터 만듦)가 있다.
블루수소 역시 이산화탄소를 배출한다. 메탄가스와 뜨거운 증기를 통해 이산화탄소와 수소가 발생한다. 깨끗한 수소란 물을 전기 분해하는 것이다. 1833년에 마이클 패러데이가 실험 리포트로 남겨뒀다. 아직도 안된다. 경제성 문제다. 구글에 패러데이 자료가 나온다.
전기분해를 위해 전류와 전압을 통해 에너지를 가한다. 1kg의 수소를 만들 때 43.8 kwh의 전기를 사용하는 게 DOE목표였는데 달성했다. 5000~6000천 원이 된다. 경제성이 없다. 2050년 목표는 42 kwh다.
열역학적으로 이론적으로 수소 kg당 32.4 kwh/kg H2가 나온다. 현재 43 수준인데 이론이 말하는 것도 32다. 그래도 3000~4000원이다. 1883년에 나온 방법으로는 수소를 생산하는데 한계가 있다. 촉매가 할 수 있는 역할의 한계다.
수소생산 장치의 일반적인 구조도 양극과 음극 그림을 보자.
전 세계적으로 Ir(이리듐)양에 대한 가격이 제곱미터당 $4000 수준으로 비싸다. 남아공에서 생산되며 매장량이 세계에 400톤이고 연간 7톤이 소요된다. Ir은 OLED에도 사용되고 있다. 유일하게 발광하는 물질이 Ir을 함유하고 있다. 수요가 증가하며 가격이 오르고 있다. Ir은 지구에 있지 않고 우주에서 온 물질이다. Ir이 있는 지층을 분석하면 백악기층이라고 한다. 공룡을 멸망케 했던 운석에 있던 물질이다.
신재생에너지로 갈수록 이런 어려움에 봉착하고 있다.
물이 산화되는 것이 어떻게 되냐. Ir-Pt를 이용해 어떻게 되는지 수백 연구팀이 세계적으로 연구하고 있다.
자연계 Mn 클러스터 속의 아주 다른 원리. 광합성은 Ir-Pt를 안 쓰고 Mn을 쓰는데 메커니즘이 다르다. 매우 신기하다. 이게 인류에 희망이자 꿈이 담겨 있다고 생각한다. Mn을 쓸 수 있을까. 쉽지는 않을 거다.
일산화망간 나노입자 촉매를 만들었다. 표면에 주목한다. 금속 나노입자를 펩타이드로 제어해서 특이한 모양을 만들었듯이 제어한다.
전자현미경으로 보면 표면을 보면 High Index Plane의 특이한 구조가 만들어진다. 펩타이드나 유기물을 이용해서 표면상태를 제어할 수 있다. 자연 상태에서 Mn이 주변 펩타이드에 의해 달라지는 것처럼 개발하고 있다.
인류가 만든 어떤 촉매제보다도 우리가 만든 촉매제는 훨씬 적다. 최고의 산소발생 반응 촉매로 overpotential(V)는 280mV 수준으로 기존 촉매제는 325mV 이상이다.
학계에서는 작은 스케일을 연구한다. 여기에서 100배 1000배 확대하는 것은 또 다른 사이언스라는 사실을 알게 됐다. 안정성 테스트를 학교에서는 하루 정도 하면 되는데 산업계는 훨씬 오래 걸린다. 그 갭을 메울 사람이 누구일까 생각해보면 발명자가 해야 할 일이 많다는 사실을 알게 됐다.
타이타늄 위에 2.5~3um 코팅했다. 굉장히 많은 패러미터를 최적화해서 코팅 조건을 찾았다. 10mA 기준으로 하루 가전 것을 500mA/cm2를 실험실 차원에서 1000시간 이상 지속 확인했다.
태양으로부터 수소 전해 시스템을 하던 것을 좋은 태양전지와 촉매기술을 결합해서 세계에서 가장 좋은 효율을 기록했었다. 현재는 깨졌다.
30년 상용화 제품 후보군에 대해 말씀드리겠다. 대한민국 탄소중립 위원회 2021 전략보고서. 문제는 가격경쟁력, 스케일의 미스매치가 발생한다. CO2는 최종 산화물이다.
그린수소는 비싸다. C을 고온에서 태우니 완전 환원이 되지 않는 CO가 만들어진다. CaO를 만들면 CO2를 먹으며 CaCO3을 만든다. C 이중결합에서 하나를 산화시킨다. 그럼 CO2를 집어넣을 수 있다.
캡쳐링 하기 위해 다양한 아민이 있다. primary 아민, secondary, tertiary아민이 있다. CO2와 결함 강도가 달라 적절히 사용한다.
Fischer - Tropsch Process, invented in 1925
(2n+1) H2 + nCO2 -> CnH2n+2 + H2O
Efficient CO2 conversion with Chlorine (양극 음극 반응)
Green H2 : 43 kwh/kg, 86wh/mole
Cl2 : 2.5 kwh/kg, 87.5wh/mole
H2 : CO2 하나당 최소 2개 필요 (H : 1S 전자 1)
Cl2 : CO2 하나당 1개 필요 (Cl: 3P 전자 5)
수소 주변에는 전자가 하나 있다. Cl2는 최외각 전자가 7개가 있다. 8개를 좋아하므로 전자를 하나 받아온다. NaCl이 사례다. 할로겐 원자들은 전자를 내놓기도 하고 받을 수도 있다. 그래서 재미있다.
Redox Neutral Conversion of CO2 with Halide
양극 음극 사이의 반응을 팔라듐의 연속 사이클이 이어준다.
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