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[요약] 스웨덴 연구원들이 이끄는 연구진이 독일 전자가속기연구소(DESY)의 X선 광원인 PETRAIII를 이용해서 지금까지 만들어진 것 중 가장 강력한 생체물질을 생산했다. 이 생분해성 셀룰로오스(섬유소) 섬유는 강철보다 강할 뿐 아니라, 가장 강력한 천연 물질로 알려진 드래그라인 거미줄보다 강하다.(2018.05)
스웨덴 스톡홀름에 있는 KTH왕립공대 다니엘 쇠데르베리 연구원이 이끈 연구진이 나노 수준에서 뛰어난 성능을 보이는 셀룰로오스 섬유를 눈에 보이는 크기에서도 그 성능을 그대로 유지하게 하는 데 성공했다고 미국화학회가 발행하는 ‘ACS나노’ 5월 9일자에 발표했다.
이 초강력 물질은 나무와 일반 식물의 필수 구성요소인 셀룰로오스 나노섬유(CNF)로 만들어졌다. 연구진은 이 나노섬유의 고유한 기계적 특성에 새로운 제조방법을 적용해 거시적이고 가벼운 소재로 만들어내는 데 성공했다. 이 소재는 항공기, 자동차, 가구 및 기타 제품에서 플라스틱을 대신할 친환경적인 대안으로 사용될 수 있다. 쇠데르베리 연구원은 “셀룰로오스가 사람의 몸에 아무런 거부 반응을 일으키지 않는다는 점에서 새로운 물질은 생체의약품에도 쓰일 수 있다”고 설명했다.
연구진은 상업적으로 이용가능한 셀룰로오스 나노섬유부터 만들기 시작했는데 지름 2~5nm에 길이가 700nm 정도였다. 나노미터(nm)는 밀리미터(mm)의 100만 분의 1이다. 이 나노섬유는 폭이 1mm에 불과한 작은 수로에서 물에 뜬 상태로 성장하면서 강철로 가공됐다. 두 쌍의 수직 유입을 통해 탈이온수와 산성도(pH값)가 낮은 물이 측면에서 수로로 들어와서 성장하는 나노섬유를 압착하고 더 빠르게 자라게 했다.
유체역학적 초점조절(hydrodynamic focussing)이라고 불리는 이 과정은 잘 포장된 거시적인 실에 나노섬유가 스스로 조직화하게 해줄 뿐 아니라 나노섬유가 올바른 방향으로 정렬하는 데도 도움을 줬다. 접착제나 다른 물질 없이도 나노섬유는 정전기력이나 반데르발스 힘과 같은 나노섬유 사이의 초분자적 힘에 의해 결합돼 단단한 실로 만들어졌다.
연구진은 PETRAIII의 밝은 X선 광원을 통해 이 과정을 추적하고 최적화할 수 있었다. 공동 저자이자 DESY의 슈테판 로트 마이크로및나노초점 X선 산란빔라인 P03 담당자는 “X선을 사용하면 초강력 섬유의 물질 구조와 계층 구조뿐만 아니라 만들어지는 실의 상세한 구조도 분석할 수 있다”며 “이를 통해 두께 최대 15마이크로미터(um)인 실을 수 m 길이로 만들어냈다”고 설명했다.
측정결과, 이 섬유의 인장 강성은 86기가파스칼(GPa)이고 인장 강도는 1.57GPa로 나타났다. 쇠데르베리 연구원은 “이렇게 생산된 생체 기반 나노 셀룰로오스 섬유는 8배 더 단단하고 천연 드래그라인 거미줄보다 강도가 뛰어나다”며 “만약 생체 기반 물질을 찾고 있다면 어디에도 이 섬유와 비슷한 것은 없다. 이 섬유는 강철이나 다른 금속, 합금뿐만 아니라 유리섬유나 대부분의 합성물질보다 강하다”고 말했다.
인공 셀룰로오스 섬유는 직물로 직조돼 다양한 용도의 재료를 만들 수 있다. 연구진은 새로운 물질의 생산 비용이 강력한 합성섬유의 생산 비용과 견줘도 충분히 경쟁력이 있다고 추정한다. 로트 담당자는 “새로운 물질은 원칙적으로 생분해가 가능한 부품을 만드는 데 사용될 수 있다”고 덧붙였다.
이 연구는 셀룰로오스 나노섬유를 나무에서와 같이 거의 완벽한 고분자의 배열로 축적하는 자연의 능력을 모방하는 새로운 방법을 제시하고 있다. 나노섬유의 인장강도와 기계적 하중을 견딜 수 있는 능력을 그대로 유지하면서 대형 구조물에 사용할 수 있는 나노섬유 재료를 개발하는 길도 열었다.
쇠데르베리 연구원은 “이제 나노 크기에서 초고성능을 거시적 크기에까지 끌어올 수 있게 됐다”며 “이러한 발견은 입자 크기, 상호 작용, 정렬, 확산, 네트워크 형성 그리고 조립과 같이 완벽한 나노 구조화에 필수적인 핵심 요소를 이해하고 제어함으로써 가능했다”고 밝혔다. 이 공정은 탄소튜브와 다른 나노 크기 섬유의 조립을 제어하는 데도 활용될 수 있다.
원문 링크 : http://www.desy.de/news/news_search/index_eng.html?openDirectAnchor=1406