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KAIST부설 한국과학영재학교 온라인 과학매거진 코스모스

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차원을 넘나드는 파스타, 지구를 지키다

맛도 모양도 다양한 면 요리, 파스타

면 요리가 인기인 우리나라에서도 파스타가 빠질 수 없는데요, 우리가 한번쯤 먹어본 파스타는 우리 눈앞에 다양한 모양으로 등장합니다. 놀랍게도, 파스타면은 우리가 생각하는 것 보다 훨씬 다양합니다. 우리가 가장 흔히 아는 기다란 실 모양의 스파게티부터, 대부분이 먹어보지 못한 소라 껍질처럼 생긴 콘킬리에까지, 면 종류만 약 15가지를 넘는다고 합니다. 이렇게 입체적인 구조를 가진 다양한 파스타는 우리에게 색다른 질감, 입안의 감촉, 그리고 소스와의 조화를 가져와 줍니다. 파스타 면에 따라 파스타의 맛이 바뀐다니, 믿기지 않죠? 예를 들어, 걸쭉한 소스와는 굵은 튜브 모양 파스타인 리가토니와 가장 어울립니다. 그 이유는 리가토니의 입체적 구조에 숨어있습니다. 진한 소스를 가진 파스타는 면과 소스가 분리되어 같이 먹기 어렵다는 단점이 있었는데, 리가토니의 굵은 튜브 모양이 튜브 안쪽의 공간에 소스를 담을 수 있어 소스와 면의 비율을 맞춰준다고 합니다.

종류가 다양한 파스타면
세계에서 극찬하는 파스타, 지구는 싫어한다?

파스타는 세계적인 면 요리로 자리 잡게 되었고, 세계 각국에서 사랑받았습니다. 하지만, 파스타처럼 입체 구조를 가진 식품들이 수많은 매립지를 만들었다는 사실, 아셨나요? 2017년, 유럽연합(EU)의 통계 기구인 유로스타트(Eurostat)는 세계 파스타의 날(10월 25일)에 맞이하여 1년 동안 생산된 파스타의 양을 조사했는데요, EU에서 1년에 파스타 면만 무려 540만 톤이 생성되었다고 합니다. 입체 구조를 가진 식품은 공간을 더 많이 차지하고 운송 중에 더 부서지기 쉽습니다. 그리고 식품을 포장하기 위해 필요한 플라스틱 재료 또한 더 많이 듭니다. 그래서 식품 포장 전략은 꾸준히 진행되어 왔는데, 연구원들은 운송 및 보관 중 포장 공간을 줄이기 위해 평평하게 포장할 수 있는 "변형" 식품의 디자인 개념을 제안했습니다.

매립지에 쌓인 수많은 식품 포장지
식품에 등장한 변형 메커니즘, Groove Patterning

기존의 변형 메커니즘은 복합 이중층, 구부러지는 경첩 등으로, 식품에 적용하기에 비용이 많이 들 뿐더러 어렵기까지 합니다. 또, 식품을 구성하는 재료를 바꿀 시 식품 영양 관련, 그리고 많은 음식 문화의 영향에 많은 제약을 받습니다. 이렇게 변형 메커니즘을 식품에 도입하기 위해서는 많은 기능적인 요구 사향을 충족해야 합니다. 우선, 기존의 식품에 맞는 단일 재료, 간단한 제조 방법, 마지막으로 여야 합니다. 식품이 요리되었을 때 변형될 수 있는 방법으로 Groove Patterning(표면 홈 생성)이 도입되었습니다.

위 영상에서는 표면에 홈을 새긴 2D 파스타가 요리를 했을 때 다양한 모양으로 변하는 것을 보여주었습니다. 여기서 “변한다” 는 것을 “모핑(Morphing)”이라고 표현을 할 것인데, 모핑은 하나의 형체가 전혀 다른 이미지로 변화하는 기법입니다. 즉 두 개의 서로 다른 이미지나 3차원 모델 사이의 변화하는 과정을 서서히 나타내는 것, 그리고 파스타로 따지자면 2차원의 밀가루 반죽에서 요리를 했을 때 3차원으로 변형될 수 있는 것을 말하겠죠. 모핑 기술은 파스타의 밀가루 반죽 표면에 원하는 방향으로 홈을 생성하여 평평한 밀가루 반죽이 요리되었을 때 다양한 입체 구조를 가질 수 있도록 해줍니다. 최종 모양에 따라 평평한 밀가루 반죽에 새기는 홈 패턴을 다르게 하는 것을 볼 수 있는데요, 홈이 나 있는 방향에 수직하게 파스타가 안쪽으로 구부러지는 특성을 이용해 다양하게 만들 수 있었던 것입니다. 아래와 같이 표면 홈의 패턴에 따라 리본 모양, 나선 모양, 튜브 모양 등 다양한 입체 구조가 만들어질 수 있다는 것을 알 수 있습니다.

다양한 입체 구조가 가능한 변형 파스타
그 원리는?

우리는 한 번쯤은 라면을 오래 놔두어 물에 불어난 것을 보았을 때가 있습니다. 라면이 불면 꼬들꼬들한 식감은 사라지고 면이 뚝뚝 끊기기 마련인데, 바로 이 원리를 사용해서 파스타 변형을 유도할 수 있었던 것입니다. 밀가루 반죽은 물의 혼합물과 함께 특히 복잡한 재료, 전분(아밀로스와 아밀로펙틴), 글루텐, 섬유질, 지방 등 분자량이 크고 비선형인 분자로 구성되어 있습니다. 이 구조는 전분 알갱이와 글루텐 망으로 사이 눈에 보이지 않는 작은 공극을 내주어, 물에 넣으면 물 분자가 공극 사이에 채워질 수 있도록 해줍니다. 즉, 우리가 흔히 말하는 ‘불어난’ 상태가 되는 것이죠. 우리가 일반적으로 먹는 모든 탄수화물 음식이 이와 비슷한 구조를 가지고 있어, 물에 넣으면 물을 잘 흡수할 수 있습니다. 연구원들은 밀가루 반죽이 조리 중 물을 흡수하며 나타나는 팽윤을 이용해 비대칭 팽윤을 유도해냈습니다. 단일 재료를 이용한 모핑 기술에, 비대칭 팽윤을 어떻게 만들어낼 수 있을까요?


변형 전과 후의 홈의 변화

그 원리는 홈을 새기는 방법에 숨어 있습니다. [동영상1]에서 보면, 홈을 새기는 패턴은 달라도 홈의 모양은 항상 선형으로 일정합니다. 이는 영률에 의한 효과를 최대화 하기 위해서 입니다. 영률이란 고체 탄성률의 한 가지로, 단위가 없는 상수입니다. 굵기가 고른 막대의 한쪽 끝을 고정시키고 다른 끝에 축 방향의 힘을 가했을 때, 막대의 단면에 작용하는 힘의 크기는 막대의 단위 길이당 신장 또는 수축의 양에 비례하는데, 이 비례 상수를 영률이라고 합니다. 이때, 홈이 새겨진 쪽은 홈과 홈 사이 물 분자의 응집력과 부착력에 의해 홈을 다시 봉인하려고 하는 힘이 작용합니다. 이 힘이 홈이 새겨진 면 한쪽에서만 서로 작용하여, 결국 반죽은 두 면이 늘어나는 정도가 다르게 됩니다. 홈과 홈 사이 부분을 보자면, 홈이 있는 반죽 면이 그렇지 않는 쪽보다 덜 늘어났다는 것을 [그림3]에서 확인할 수 있습니다. 이렇게 생긴 작은 각도 변화가 여러 홈을 새기면서 구부러지는 효과로 나타나게 되는 것이죠.

홈의 모양에 따라 변형되는 정도가 다르다고?

파스타의 모핑이 모두 홈에 의해 일어나는 것이라면, 홈의 기하학적 특징 또한 변형에 영향을 줄 수 있습니다. 연구원들은 밀가루 반죽 대신 PDMS(폴리디메틸실록산) 샘플을 이용해서 실험적으로 접근했습니다. 이후 홈의 너비, 깊이, 간격 및 베이스 두께 등 여러 매개변수를 실험적으로 변화시켜 마이크로미터에서 밀리미터까지의 범위에서 관찰했는데, 매개변수과 변형 정도의 관계를 각각 알아낼 수 있었습니다. 예를 들어, 최대 굽힘 곡률은 홈의 너비가 커질수록, 홈이 깊어질수록, 간격이 증가할수록 증가하고, 베이스가 두꺼워질수록 감소하는 것으로 나타났습니다. 하지만, 홈 간격이 좁아 인접한 홈의 충돌을 일으킬 만큼 충분히 좁으면 구조가 더 이상 구부러지지 않았으며, 이는 시뮬레이션 모델에 대한 실험에서 추가로 검증되었습니다.

이러한 특징 또한 변형의 한 성질로 이용될 수 있는데, 모핑 중 인접한 벽의 충돌은 밀가루 반죽의 경우 변형 이후 모양 고정에 사용될 수 있고, 할 수 있습니다. 연구원들은 이렇게 실험과 시뮬레이션을 통해 발견한 변형 파스타의 다양한 특성을 이용해서 모핑 기술의 잠재적인 적용 범위가 증가하게 되었습니다.


양면에 홈을 새겨 비트는 변형을 가능하게 만들었다.
모핑 기술과 미래.

연구원들은 모핑 기술을 이용해서 더 복잡한 꽃과 같은 개발 가능한 3D 모양을 추진해서 연구하고 있습니다. 또한, 홈을 반죽 양면에 다른 방향으로 새김으로써 비틀고 꼬이는 변형까지 가능함을 발견했는데, 이와 같은 특이한 변형을 이용해 만들 수 있는 모양의 폭이 훨씬 커졌습니다.

모핑 기술을 도입한 꽃. 납작한 모양에서 돌돌 말려서 꽃의 형상을 띠는 것을 알 수 있다.

모핑 기술은 무엇보다 식품 포장에 사용되는 플라스틱 재료의 절감을 위해 도입되었습니다. 평평한 형태로 생산된 식품은 잠재적으로 기계 작동 및 절차를 덜 복잡하게 바꾸고 제조 자원을 절약하여 효율성을 향상시킵니다. 또한, 변형 식품은 포장에 필요한 공간을 대폭 줄이고, 식품 포장 폐기물을 줄일 수 있습니다. 이 작업에는 특정 제한 사항이 있으며 Groove Patterning 모핑에 대한 연구를 계속하여 지속 가능한 식품 디자인을 만들어낼 수 있었습니다. 표면 홈 생성 기술에 파스타가 이용되었다면, 과학자들은 식품 변형 기술을 파스타 외에 젤리와 같은 다양한 음식에 적용을 한다고 합니다. 앞으로 모핑 기술이 가져올 미래, 기대되지 않나요?


 

김민수 학생기자 | Physics & Earth Science | 지식더하기


참고자료

[1] https://www.morphingmatter.cs.cmu.edu/projects/morphing-pasta-and-beyond

[2] https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abf4098

[3] https://www.cmu.edu/news/stories/archives/2021/may/morphing-pasta.html

[4] https://www.youtube.com/watch?v=6sQBE5ObgCk

첨부한 이미지 출처

[1] https://m.blog.naver.com/PostView.naver

[2] https://m.dongascience.com/news.php?idx=22398

[3] https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abf4098

첨부한 동영상 출처

[1] https://www.youtube.com/watch?v=6sQBE5ObgCk


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