위키 페디아(Wikipedia)」에서 나노 기술(nanotechnology)은 물질을 나노 미터(nm, 1nm=10-9m)의 영역 즉 원자와 분자 규모에서 자유자재로 제어하는 ​​기술이고, 나노테크라고도 합니다. 그러한 규모로 신소재를 개발하고, 그러한 스케일의 장치를 개발한다. 나노 기술은 매우 범위가 넓고, 반도체 소자를 분자 셀프 조립 방법이라는 완전히 새로운 방식으로 제조하거나 나노 스케일의 나노 소재라는 신소재를 개발하는 것까지 다양한 기술을 포함한다. 아직은 일부 신소재와 컴퓨터의 프로세서에 적용되는 정도의 단계이지만, 향후 이 기술은 나노 사이즈의 로봇으로 치료를 하거나, 심지어 자기 증식 능력을 갖추게 해서 건축에 사용할 수 있게 될 것으로 예상된다. 21 세기를 걸쳐 크게 발전하는 분야로 간주하고 있다. 나노 기술의 미래에 대한 논의도 있다. 나노 기술에 의해 다양한 유용한 신소재 및 디바이스(장치)가 태어날 것으로 기대되는 반면, 환경 및 인체에 미치는 영향도 우려되고 있다. 또한, 세계 경제에 미치는 영향과 나노 기계가 제어 불능이 될 경우 위험성도 우려되고 있다. 따라서 나노 기술에 대한 특별한 규제의 필요 여부에 대해서도 논의가 계속되고 있는 것 같다.

 물질을 나노 미터 수준으로 제어하면 ​​장점이 몇 가지 있다. 예를 들면, 컴퓨터 등에서 사용되는 전자 회로의 트랜지스터는 대략 수십 nm 정도의 크기이지만, 이를 1/10로 할 수 있다면 컴퓨터를 현재보다 훨씬 소형화하고 필요한 전력과 발열을 억제하는 것이 가능해진다. 마찬가지로, 기억 장치 등에서도 소형화·고기능화가 기대된다. 또한, 물질을 수 나노 미터의 크기로 하면 양자 효과라는 특수한 현상이 발생한다. 예를 들어, 최근의 전자 장치에 이용되는 전자의 감금에 의한 에너지 준위의 이산화(離散化)가 나타나는 크기나 터널 효과가 나타나는 거리는 나노 미터의 영역이다. 그리고 전자 재료 이외에도 약물 전달 시스템 등 의료분야, 환경 분야, 각종 분야 등등에서 전개도 활발하게 시도되고 있다. 

 물질을 원자 수준의 크기로 제어해서 다바이스로 사용하려는 생각은, 1959년 12월 29일 리처드 P·파인맨이 미국 물리학회의 캘리포니아 공과대학 회의에서 강연한 「There's Plenty of Room at the Bottom」에서 이미 보여주고 있다. 그중에서 파인맨은 스케일을 작게 해 가는 것에 의해 다양한 물리적 현상을 이용하게 된다고 했다. 예를 들어, 중력은 대상이 작아지면서 중요하지 않게 되고, 표면 장력과 판데르발스 힘이 강하게 작용하게 된다. 스케일이 작아지면 병렬성이 증가하여 짧은 시간 안에 많은 소재, 장치를 만들 수 있다고 생각되며, 이 개념은 유효하다고 생각했다. 예전에 이를 메조스코핏쿠 라고 했던 연구 분야이다. "나노기술"이라는 용어는 1974년 전 도쿄 이과 대학 교수 다니구찌 노리오가 제창한 용어이다. 다니구찌는 「나노 기술은 주로 원자 1개 또는 분자 1개 단위로 소재를 분리·형성·변형하는 과정으로 이루어진」고 하고 있다. 이러한 정의를 1980년대에 더욱 발전시킨 것이 K 에릭 도레쿠스라로, 그는 나노 스케일의 현상이나 디바이스의 기술적 중요성을 역설하고 「창조하는 기계-나노 테크놀로지」(1986)와 Nano systems : Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation 등의 책을 출판하면서, 이를 통해 "나노 기술"이라는 용어가 세계적으로 쓰이게 되었다. 1980년대에는 나노 기술 분야의 두 가지 중요한 연구가 이루어졌다. 하나는 클러스터의 연구이고, 다른 하나는 주사형 터널 현미경(STM)의 발명입니다. 이로 인해 1985년에는 풀러렌(Fullerene)이 발견되고, 몇 년 후에는 탄소 나노 튜브(CNT)가 발견됩니다. 또한, 반도체 나노 결정의 특성 및 합성 연구가 진보되어, 금속 및 금속 산화물의 나노 입자 및 양자점 연구로 발전됩니다. STM 발명 6년 후에는 원자간력(原子間力) 현미경(AFM)이 발명되었습니다.

 각설하고, 이번 호에서는 나노 버블 수를 시멘트 모르타르·콘크리트에 적용한 많은 문헌과 실험 결과들을 압축해서 소개하려고 합니다. 무기 나노 물질의 활용에 대해서는 본 지 2018년 4〜6월호에서 「시멘트 분야에도 나노기술이 성큼 다가와 있고....」 에서 다룬 적이 있습니다. 이때는 주로 카본의 나노 세계를 이야기하였고, 그래핀, 탄소나노튜브를 중심으로 이야기했습니다. 우리 주변에서 볼 수 있는 물속의 기포를 Macro 버블이라고 합니다. 이 버블은 보통 크기에 따라 마크로, 마이크로, 나노 등 크게 3가지로 분류됩니다. 50㎛ 이상의 크기를 마크로 버블, 10~50㎛ 크기를 마이크로 버블, 그리고 0.2㎛ (=200nm) 이하의 크기는 일반적으로 나노 버블이라고 칭합니다. 일본 경우는 나노 버블은 전 산업 분야에 활용되고 있고, 최근에는 의학 분야에서 활발한 연구가 이루어지고 있습니다. 그리고 표준을 선점하기 위하여 국제표준기구 (ISO)/파인버블 전문위원회도 2013년 12월 교토에서 개최되었습니다(사진 1). 마이크로 나노 버블(이하 MNB)은 50㎛ 이하의 극미세 기포로, 기포 직경이 작을수록 상승 속도가 느린 것이 특징이며, 1㎛의 경우 상승 속도는 1.96mm/h로, 미리버블 이나 센티 버블과 비교해서 부상(浮上)하지 않는 것이 특징입니다. 또 MNB의 표면은 마이너스로 대전 되어있기 때문에 정전기적인 반발에 의해 기포가 합쳐질 가능성도 적습니다. 따라서 생성한 MNB는 수중에 장기간 체류하는 것이 가능합니다. 사진 2는 MNB의 기포 분포 (좌) 및 기포 영상 (우) (Malvern 사)을 나타내었습니다. 나노의 세계에 있는 기포를 촬영하는 것은 고도의 기술이 필요합니다. 그리고 표 1은 MNB가 장기 지속성도 있다는 것을 나타내는 데이터입니다. 이외에도 MNB에는 기포 직경이 극히 작은 것에 기인하여 다양한 특성을 나타냅니다. 그중에서 마찰저항의 저감과 점도의 저감 효과가 있고, 이들은 시멘트 모르타르나 콘크리트의 후레쉬 성상에도 영향을 미칩니다. 특히, 지반개량제나 그라우트 등 주입을 목적으로 하는 재료의 충전 성능을 개선하는데 효과가 좋을 것으로 알려져 있습니다. 특허를 보면, 모르타르 보수 분야에서도 효과가 있다고 합니다. 시멘트모르타르에서 일반 배합수를 MNB수로 치환했을 때 초기강도가 약 25% 증가하여 매우 우수하다는 것을 확인했고, 장기강도도 약 7%를 증가하며, 재료의 내구성도 우수해진다는 것을 보고하고 있습니다. 한마디로 보통시멘트에 MNB수를 사용하면 조강시멘트를 사용하는 효과가 있다고 할까요... 해외에서의 문헌 보고 사례를 봐도 콘크리트에서 약 10% 내외의 물성효과가 있는 것으로 보고되고 있습니다. 기포를 제조하는 방법은 초미세공방식(9.6×1013/cc), 가압+교반 방식(7.3×1016/cc) 등 몇 가지가 있고, 국내에서는 대윤계기산업 등에서 산업에 적용을 위한 실용화 연구를 진행 중입니다. 일본은 2019년 발표된 신기술설명회 자료를 보면, 종래에 없는 고농도 MNB제조기(1.6×1017/cc)를 발명하여 100nmΦ 이하의 버블을 만들 수 있게 되었고, 이를 활용하여 화장품이나 건강 관련 분야의 고부가가치 제품 개발을 준비하고 있다고 합니다. 참으로 기대가 되는 세상입니다. (이상)