탱글탱글 젤리에 담긴 화학적 원리

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저항없이 흘러내리는 부드러운 촉감, 숟가락에 닿는 순간 흔들리는 미세한 떨림, 입 안에 넣으면 느껴지는 탱글하고 쫀득한 탄성. 묵과 젤리의 특징이다. 촉촉하고 부드러운 이것들은 과연 이들은 고체일까, 액체일까? 정답은 둘 다 아니다. 묵과 젤리는 고체와 액체의 중간 상태인 겔(Gel), 또는 과학적으로는 하이드로젤(Hydrogel)이라 불리는 물질이다. 하이드로젤은 물을 가득 품고도 흐르지 않으면서 고체처럼 형태를 유지하는 특별한 물성을 갖고 있다.

 

 

 

하이드로젤의 과학적 원리

하이드로젤은 과학에서 고분자 물질과 물이 결합한 3차원 네트워크 구조를 가진 물질로, 고체와 액체의 특성을 동시에 지닌 겔 상태의 콜로이드로 분류된다.

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물이 분자 그물망 안에 갇혀 있는 상태로서 젤리나 묵과 같은 물질에서 아미노산이나 다당류 같은 고분자가 그물망 구조를 형성하며, 이 안에 수분이 물리적으로 결합한다. 이 때문에 하이드로젤은 물을 90% 이상 함유하고도 액체처럼 흐르지 않고 고체처럼 형태를 유지한다. 예를 들어 젤리는 젤라틴(Gelatin)이라는 단백질에서 유래한 고분자가 물 분자와 결합한 구조를 가지고 있다.

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젤라틴은 육류나 뼈를 끓이면 단백질이 분해되어 생성된다. 단백질은 여러 종류의 아미노산이 긴 사슬 형태로 연결된 물질로, 가열하면 아미노산 사슬이 풀리면서 새로운 구조를 형성한다. 이 구조가 식으면 그물망을 만들어 물 분자를 가둬두는 겔 상태가 된다. 젤리 과자처럼 수분이 대부분인 물질에서도 물이 흘러나오지 않는 이유는 이 때문이다.

 

 

 

 

일상 곳곳에 활용되는 하이드로젤

하이드로젤은 생각보다 많은 곳에서 우리와 함께 한다. 먼저 콘택트렌즈에 사용되어 각막에 산소를 공급한다. 물과 결합한 상태 덕분에 눈을 촉촉하게 유지하면서도 공기가 통과할 수 있다. 성형 보형물에도 사용돼 부드럽고 유연한 특성을 제공한다.

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아기 기저귀가 물을 흘리지 않고도 오래 흡수력을 유지할 수 있는 것도 하이드로젤 덕분이다. 하이드로젤은 본래 무게의 수천 배에 달하는 물을 흡수할 수 있어, 흡수제로는 최고의 재료다. 하이드로젤로 만든 화분은 물을 흘리지 않고도 서서히 방출해 식물이 마르지 않게 도와준다. 물이 부족한 지역에서도 식물 재배를 가능하게 만드는 기술로 주목받고 있다.

 

 

 

 

나아가 생체 공학에서도 널리 활용된다. 조직 공학에서는 하이드로젤이 세포를 지지하는 구조로 사용되며, 인공 피부와 같은 조직 복원 기술에 기여하고 있다. 연구에 따르면 하이드로젤 기반 세포 배양 시스템은 세포 생존율을 95% 이상 유지하며 조직 재생을 촉진한다. 상처 치유를 돕는 드레싱 재료로 사용되어 습기를 유지하고 감염을 예방하며, 약물을 저장하고 서서히 방출하는 약물 전달 시스템에서도 활용된다. 이를 통해 항암제나 항생제의 효율적인 전달이 가능해졌다.

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환경 과학에서도 하이드로젤은 큰 역할을 한다. 물을 흡수하고 서서히 방출하는 특성은 농업에서 물 부족 문제를 해결하는 데 효과적이다. 연구에 따르면, 하이드로젤을 토양에 적용했을 때 식물의 물 부족 스트레스가 30% 이상 감소했다. 또한, 하이드로젤은 오염된 물에서 특정 화학 물질을 흡착하거나 분해하는 데 사용되며, 수질 정화 기술에서도 중요한 재료로 자리 잡고 있다.

 

 

 

 

첨단 기술 분야에서 하이드로젤은 혁신적인 응용 가능성을 보여준다. 웨어러블 센서나 전자 피부 제작에 활용되는 하이드로젤은 유연성과 전도성을 제공하며, 이를 통해 체온, 맥박, 움직임을 모니터링하는 센서 개발이 가능해졌다.

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소프트 로봇 기술에서 하이드로젤은 근육처럼 유연하게 움직이는 재료로 사용된다. 국내서는 지난 2022년 서울대학교 공과대학 선정윤 재료공학부 교수와 김호영 기계공학부 교수 연구팀은 식물 세포의 구조에서 영감을 받아, 짧은 시간에 큰 힘을 발휘할 수 있는 소프트젤 액추에이터를 개발한 바 있다. 이 액추에이터는 선택적 투과성 막으로 하이드로젤을 감싸는 디자인을 통해, 수중 환경에서 삼투압에 의해 팽창하며 외부 동력원 없이도 약 1g의 하이드로젤로 130kg의 무게를 들어 올릴 수 있다. 이는 기존 젤 기반 액추에이터보다 출력 밀도가 약 10만 배 높은 성능이다. 또한, 전기장을 활용하면 더욱 빠르게 큰 힘을 발생시킬 수 있어, 2cm 두께의 벽돌을 5분 안에 부수는 데 성공했다.

 

 

선정윤 재료공학부, 김호영 기계공학부 서울대 공대 교수 연구팀이 개발한 하이드로젤 팽압 액추에이터의 구동 원리 모식도 [사진=서울대학교]

 

자연 상태의 하이드로젤, 충격 흡수 물질 교환 도와

하이드로젤은 자연 상태에도 존재한다. 생명체에서는 관절의 연골, 눈의 유리체, 세포외기질 등에서 충격 흡수와 물질 교환을 돕는다. 식물에서는 선인장과 알로에 베라가 내부에 하이드로젤을 형성해 수분을 저장한다. 자연 환경에서는 토양의 점토가 수분을 보유하고, 해양에서는 플랑크톤의 점액질과 해조류의 세포벽이 하이드로젤 성질로 생태계 유지에 기여한다.

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또한 달팽이 점액, 개구리알의 젤 물질, 박테리아의 바이오필름 등에서도 하이드로젤이 발견된다. 하이드로젤은 수분 보유, 보호, 구조적 지지 역할을 하며, 생체 모방 기술과 지속 가능한 재료 개발에 영감을 주는 자연의 혁신적인 물질이다.

 

 

 

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