[과학과 기술의 발전] 나노기술과 동력

1. 나노기술

결혼반지의 순금은 영구불변의 상질이다. 그러나 중세 장인 들은 금에 극소량의 유리를 섞으면 색깔과 효과가 달라진 , 다는 것을 알았다. 이러한 작업은 물질을 원자 단위로 조작하는 나노기술의 원시적 형태라고 볼 수 있다. 나노기술은 나노미터, 즉 10억 분의 1미터를 기본 측정단위로 삼아, 거의 상상하기 힘들 정도로 미세한 작업을 처리한다. 물질은 보통 대량 상태일 때와 원자 단위일 때 속성이 달라진다. 전반적인 구조 표면을 이루는 원자수가 적을수록, 또 뉴턴 물리학의 힘이 강할수록 더욱 그렇다. 원자 레벨에서는 자성 등의 속성이 극대화되거나, 원자 간 결합력이 더 강해지거나, 촉매반응이 더 활발해진다. 나노 기술자는 원자를 소그룹 단위로 처리한 후에 여러 그룹을 결합하여 더 큰 구조를 만든다. 악성세포나 바이러스 성 DNA 염기배열을 무너뜨리는 분자기계(Volecular Machine, 생명체 내에서 구동하도록 설계된 개별 분자 또는 분자 집합 제)를 이용해 중양이나 유전적 질병을 치료할 수 있다고 믿는다. MIT 연구팀은 햄스터의 시신경을 절단한 후에 펩타이 드(2개 이상의 아미노산 분자로 이뤄지는 화학물질) 나노입자를 투입하면 세포지지체(scafold, 세포가 중식될 수 있는 환경을 만들어주는 일종의 지지대(구조물, 틀)로서, 세포배양 또는 생체이식 시 인체에서 조직을 재구성한 뒤에 유해성 없이 분해되어 사라진 다)를 형성하여 절단된 신경이 되살아나 고 시력이 회복된다는 것을 확인했다. 이미 식수를 정화하는데 나노 규모의 미소입자로 만든 필터가 사용되고 있다. 물질을 나노 규모로 조작하는 기술은 개념상으로 일반적인 제조기술과 크게 다르지 않다. 광리소그래피(opial ithography)나 광에칭(etching)을 통해 실 리콘 웨이퍼에 수천 개의 회로를 만드는 마이크로프로세서 기술의 발전으로 엔지니어들은 이미 100 나노미터 이하의 단위로 작업하는데 익숙해졌다. 더 강한 빛이나 X-레이를 사용하는 경우, 작업규모는 더욱 작아질 수도 있다. 또 개별 원자 단위에서 이루어지는 소규모 화학적, 물리적 과정을 활용하는 나노기술도 있다. 자성이나 전류가 흐를 때 물질의 원자들이 서로 끌어당기거나 밀어내는 원리를 이용하면, 탄소나노 튜브나 양자점(Quanturm Dol) 등을 만들어 다양한 분야에서 응용할 수 있다. 2006년 나노기술이 적용된 제품의 매출은 총 500억 달러에 달했다. 일각에서는 세계 나노기술제품의 시장규모가 2015년에는 3조억 달려가 넘을 것으로 전망한다.

 

2. 동력

동력은 어떤 에너지를 다른 형태로 변환할 때 필요하고, 이러한 변환 과정은 끊임없이 진행 중이다. 식물은 태양에너지를 이용해 광합성을 하고, 우리 몸은 에너지가 풍부한 탄수화물을 이용해 움직인다. 선사시대부터 인간은 더 많은 일을 해내기 위해, 짐 끄는 동물과 같은 외부 동력원을 활용해 왔다. 동물이 아닌 최초의 동력원은 나무나 쓰레기를 태워 난방과 요리에 필요한 열을 만들어내던 불이었다. 기계력을 이용한 최초의 생산은 기원전 1세기에 물레방아를 사용했던 그리스로 거슬러 올라간다. 중력으로 인한 시냇물이나 조류의 낙차를 이용하여, 물레방아는 수백 년간 곡식을 쌓고, 통나무를 베고, 옷감을 잣고, 펌프를 작동시키고, 대장간이나 용광로의 풀무를 움직여가며 산업에 동력을 제공했다. 이란과 아프가니스탄 사이의 산악지 대에서는 다른 종류의 에너지 변환이 뿌리를 내렸다. 풍차를 이용해 풍력을 기계력으로 바꾸는 방식이었다. 9세기 아랍의 기록을 보면, 맷돌을 돌리기 위해 수평의 날개를 수직 축으로 고쳤던 페르시아인 이야기가 나온다. 이러한 초기 동력원은 모두 지속 가능했다. 본래의 에너지원을 소모하지 않고 동력을 에너지로 바꿀 수 있었다. 그러나 지리적인 제약이 있어, 물이 꾸준히 흐르거나 바람이 계속 부는 장소에서만 사용 가능했고, 계절이나 기후 변화가 동력원에 어느 정도 영향을 미칠지 예측할 수 없었다. 인류는 석탄 증기기관과 전기를 이용하면서 산업혁명과 동시에 재생 불가능 한 자원의 시대로 접어들었다. 엔진과 터빈을 움직이는 증기력에 의해서든, 내부 연소기관을 가동하는 폭발력에 의해서든, 열에너지와 연소에서 발생하는 힘이 중심이 되었다. 오늘날 대규모 터빈을 돌리는 데는 대형 수력발전소가 사용된다. 그러나 수력발전소는 강의 자연스러운 흐름을 막고 방대한 면적의 땅에 물을 가두어 두어야 하므로 환경상의 제약이 있다. 현재 중국 양쯔 강의 거대한 삼협(Three Gorges) 댐에 귀추가 주목되고 있다. 세계 최대 외 수력발전 공사로, 향후 중국에서 사용되는 전력의 9분의 1을 공급할 계획이다. 이 부지를 확보하기 위해 140만 명의 주민이 이주했고, 현재 토양 침식과 오염 증가, 기타 상류와 하류에서 발생하는 문제로 비난을 받고 있다.