콘크리트는 값이 싸면서도 형태를 만들기 쉬우며 강도가 높아 고층 건물 등 현대 건축에서 절대 빼놓을 수 없는 재료다.

그러나 콘크리트의 치명적인 약점은 인장 강도가 약하다는 점이다. 이에 시간이 지나거나 뒤틀리는 충격을 받게 되면 쉽게 균열이 생긴다. 이렇게 생긴 균열로 콘크리트 내부에 물이나 공기가 스며들어 철근을 부식시키는 등 내구성을 떨어뜨리게 된다.

이러한 문제를 해결하기 위해 과학자들과 산업계는 오랫동안 ‘스스로 치유하는 콘크리트’를 연구해왔다.

그중의 하나가 미생물을 이용해 균열을 메우는 방식이었다. 그러나 미생물 기반 자가 치유 콘크리트는 커다란 한계가 있다. 이러한 미생물은 스스로 영양분을 만들기 못하기 때문에 균열을 보수하는 물질을 생산하려면 외부에서 끊임없이 영양분을 계속 공급해줘야 한다.

미생물 기반 자가 치유 콘크리트는 균열이 생기면 영양분을 주입하거나 뿌려줘야 하고, 처음 만들 때부터 콘크리트 안에 영양분을 캡슐 형태로 넣기도 한다.

미국 국방부 산하 국방고등연구계획국(DARPA)의 지원으로 텍사스 A&M 대학교의 콩루이 그레이스 진이 이끄는 연구진은 이러한 한계를 해결하기 위해 ‘합성 지의류’에 주목했다.



언뜻 보면 이끼처럼 보이는 지의류는 이끼와 다른 생물군이다. 지의류는 곰팡이와 조류가 공생하며 이룬 복합체로, 식물군에 속하는 이끼와 구분된다. 지의류는 뿌리, 줄기, 잎과 같은 식물적 구조가 없다.

광합성을 하는 조류·남조류는 곰팡이에게 필요한 유기 탄소와 유기 질소를 제공하고, 곰팡이는 조류·남조류에 서식처와 보호막을 제공하는 방식의 공생 관계가 이뤄진 것이 지의류다.

연구진은 대기 중 이산화탄소와 질소를 고정하는 남세균과 이온화된 칼슘을 끌어당겨 다량의 탄산칼슘 침전을 촉진하는 사상균을 이용해 맞춤형 지의류를 설계했다. 탄산칼슘은 생물에서 달걀 껍데기나 조개껍데기, 산호 등의 형태로 나타나는 성분이다.



실험실에서 이뤄진 실험 결과 연구진이 합성해낸 지의류는 다량의 탄산칼슘을 침착시켜 콘크리트 균열을 치유하고 다시 이어붙여 균열이 더 이상 확산하지 않도록 막았다. 화학 반응을 통해 탄산칼슘을 생성해 콘크리트를 생성했던 고대 로마의 콘크리트 균열 보수 과정과 크게 다르지 않다.

미생물 기반 자가 치유 콘크리트와 달리 합성 지의류 기반 콘크리트는 영양분을 따로 공급해줄 필요가 없다. 그저 콘크리트에 서식하며 제 기능을 다할 뿐 사람의 손길을 필요로 하지 않는 것이다.

연구진은 이 지의류가 콘크리트 내에서 실제로 어떻게 균열에 대처하는지 살펴볼 계획이다. 연구진은 “이 결과는 콘크리트 자가 수리를 위한 안정적인 광영양-이영양 시스템을 만들 수 있는 잠재력을 보여줬다”면서 “두 종의 능력을 동시에 활용하고 외부 영양 공급도 필요 없는 방식”이라고 설명했다.