고대 유리 제조법을 주목하는 차세대 스마트 유리 개발자들
미래 소재 이야기는 현대의 클린룸이 아닌, 고대 유리 장인들의 작업장에서 시작될지도 모른다.
수천 년 전, 이집트와 메소포타미아 장인들은 적절한 재료를 첨가하면 유리를 변형시킬 수 있다는 사실을 알았다.
금속 화합물을 첨가하면 유리 색이 변하고, 녹는점이 낮아지며, 모양을 만들기 쉬워졌다.
고대 교역로를 따라 이동한 푸른색과 녹색 유리 제품들은 단순한 사치품이 아니었다.
이는 유리를 가공할 수 있다는 실용적인 지식을 보여주는 초기 증거이기도 했다.
이제 독일과 영국 연구팀이 이러한 고대 아이디어를 재료 과학 최첨단 분야로 확장했다.
네이처 케미스트리Nature Chemistry에 발표된 새로운 연구에서 과학자들은 전통적인 유리 제조에서 익숙한 원리를 이용해 전자 기기, 센서, 가스 분리gas separation, 촉매catalysis 및 탄소 포집carbon capture에 활용할 수 있는 차세대 금속-유기 골격 유리metal-organic framework glasses (MOF 유리)를 만들 수 있음을 보여주었다.
고대 유리 제조와 현대 재료 과학의 만남
고고학 분야에 관심 있는 독자들에게는 이 연결고리가 매우 흥미로울 것이다.
고대 유리 제조자들은 현대적인 관점에서 원자 구조를 이해하지는 못했지만, 첨가제가 용융 유리의 성질을 바꿀 수 있다는 것을 알고 있었다.
전통적인 규산염 유리에서는 나트륨이나 칼슘 화합물과 같은 물질이 개량제modifiers 역할을 한다.
이러한 물질들은 단단한 규소silica 네트워크를 파괴하고, 가공 온도를 낮추며, 유리를 더 쉽게 녹이고 모양을 만들게 한다.
이번 새로운 연구는 이와 유사한 논리를 전혀 다른 종류의 유리에 적용했다.
연구진은 일반적인 실리카 기반 유리 대신 제올라이트 이미다졸레이트 골격zeolitic imidazolate framework (MOF)인 ZIF-62를 사용했다.
ZIF는 금속 이온이 유기 분자로 연결된 금속-유기 골격(MOF)의 한 종류다.
일반적인 창유리와 달리, 이 물질은 미세한 기공을 포함할 수 있어 특이한 화학적, 물리적 특성을 나타낸다.
이러한 다공성porosity 때문에 MOF 유리는 특히 흥미로운 물질이다.
MOF 유리의 내부 공간은 이산화탄소와 같은 기체를 포집하거나, 분자를 분리하거나, 촉매를 지지하거나, 광학 및 전자 장치에 활용될 수 있다.
하지만 MOF 유리는 가공이 어렵다는 큰 문제가 있었다.
많은 MOF 유리는 고온에서만 가공이 가능하며, 때로는 재료가 분해되기 시작하는 온도에 근접하기도 한다.
미세한 기공microscopic rooms을 지닌 유리
연구진은 고대 유리 제조 방식인 유리 개질법glass modification을 이용해 이 문제를 해결할 수 있는지 실험했다.
고대 및 현대 규산염 유리 제조에서 사용되는 개질제와 유사한 방식으로 리튬 및 나트륨 벤즈이미다졸레이트 화합물lithium and sodium benzimidazolate compounds을 ZIF-62에 첨가하여 유리 개질제glass modifiers로 사용했다.
그 결과, 재료의 움직임에 뚜렷한 변화가 나타났다.
나트륨계 개질제의 양이 증가함에 따라 유리 전이 온도transition temperature가 급격히 낮아졌다.
어떤 경우에는 유리가 연화되는softened 온도가 294°C에서 161°C로 떨어졌다.
이러한 변화는 중요하다.
유리 전이 온도를 낮추면 MOF 유리를 가공, 성형 및 미래 장치에 통합하는 일이 더 쉬워질 수 있다.
또한, 개질된 유리는 고온에서 유동성이 향상되어 제조에 유용한 특성을 갖게 되었다.
원자 수준에서 연구 결과 나트륨이 단순히 기공 내에 존재하는 것이 아니라 유리 골격 자체에 통합되는 것으로 나타났다.
이로 인해 금속-유기 네트워크 일부가 약화하고 구조가 더욱 불규칙해졌다.
이는 기존 유리의 실리카 네트워크를 파괴하는 전통적인 유리 개질제 작용과 유사하다.
다공성은 탄소 포집 기술에 활용될 수 있다.
가장 중요한 결과는 개질된 유리를 물로 처리한 후 나타난 변화일 수 있다.
연구진은 침출 과정leaching process을 통해 나트륨 기반 개질제 일부를 제거할 수 있음을 보여주었다.
이는 20세기 다공성 규산염 유리porous silicate glasses 제조에 사용한 바이코르(Vycor) 공정과 유사하다.
바이코르 공정은 물질 일부를 선택적으로 용해시켜 다공성 규산염 유리를 만드는 방법이다.
침출leaching 후, MOF 유리는 더욱 다공성이 높아졌다.
측정 결과, 처리된 물질은 접근 가능한 미세 기공이 회복되고 추가적인 기공 공간이 생성된 것으로 나타났다.
연구에 따르면, 총 기공 부피는 원래 ZIF-62 유리보다 약 26% 증가한 것으로 추정된다.
이는 내부 표면적과 제어된 기공 네트워크에 의존하는 기술에 중요한 의미를 지닐 수 있다.
특히 연구진은 탄소 포집 및 가스 분리 분야에서 연구되는 소재의 핵심 지표인 이산화탄소 흡착 성능carbon dioxide sorption을 테스트했다.
이 연구는 이 유리가 산업용 탄소 포집 시스템industrial carbon capture systems에 바로 적용될 수 있다고 주장하지는 않는다.
여전히 실험실 수준의 발전이며, 실질적인 제조에는 여러 가지 어려움이 남아 있다.
저자들은 제조 과정 중 공정 조건과 도가니crucibles에 달라붙는 문제 때문에 큰 단일체 조각을 만드는 일이 여전히 어렵다고 지적한다.
하지만 이 연구는 새로운 설계 방식을 제시한다.
즉, 유리를 변형하고, 구조를 만들고, 제어된 추출을 통해 다공성을 조절하는 것이다.
이 발견이 화학을 넘어 중요한 이유
이 연구는 고대 기술에 과학적으로 여전히 강력한 원리가 담겨 있다는 사실을 일깨운다.
고대 유리 장인들은 모래, 광물, 금속 화합물을 사용해 색깔, 교역, 지위를 나타내는 물건을 만들었다.
현대 연구자들은 이제 이와 관련된 원리를 이용해 고대 장인들이 상상조차 할 수 없던 기능을 지닌 소재를 설계한다.
이는 단순히 과거를 모방하는 일이 아니다. 오래된 재료의 논리를 새로운 화학적 언어로 번역하는 것이다.
고고학적 관점에서도 이 연구는 고대 공예에 대한 우리의 시각을 새롭게 한다.
유리 제조는 단순히 장식용이 아니었다.
열, 원료, 착색제, 용융제, 냉각 과정을 정밀하게 제어해야 했다.
고대 장인들이 내린 선택은 제품의 구조와 특성을 변화시켰는데, 그 변화의 과학적 원리는 수천 년 후에야 밝혀졌다.
현대 재료 과학에 이 교훈은 실용적이다.
고대 및 전통 유리 제조업자들이 첨가제를 사용해 규산염 유리를 제어했다면, 유사한 전략을 통해 연구자들은 MOF 유리의 영역을 확장할 수 있을 것이다.
이번 연구는 첨가제의 화학적 성질을 이용하여 유리 전이 온도, 점도, 구조적 무질서도 및 다공성을 조절할 수 있음을 시사한다.
이는 단순히 빛을 투과시키는 일을 넘어 기체를 저장하고, 분자를 걸러내고, 화학 반응을 지원하거나 첨단 전자 시스템 내부에서 작동하도록 설계된 스마트 유리 소재의 길을 열어줄 수 있다.
그런 의미에서 유리의 미래는 고대 유리 장인들에게 여전히 빚지고 있을지도 모른다.
그들은 불과 광물로 실험을 거듭해 인류 역사상 가장 내구성이 뛰어난 재료 중 하나를 만들어냈다.
오늘날에도 작은 첨가물이 유리를 변화시킬 수 있다는 기본적인 아이디어는 과학자들이 유리의 미래를 상상하는 데 도움을 준다.
Kolodzeiski, P., Gallant, B.M., Richter, L. et al. Alkali-ion-modified zeolitic imidazolate framework glasses. Nat. Chem. (2026). https://doi.org/10.1038/s41557-026-02115-8
표지 이미지 출처: 고대 유리 제조 기술과 차세대 스마트 유리 소재 간 연관성을 시각화하기 위해 AI로 제작한 일러스트레이션.
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구리 역시 마찬가지 아니었겠는가? 그에다가 다른 금속을 첨가함으로써 새로운 재료를 만들어냈으니 말이다.