혁신적인 신소재의 개발
최근, Georgia Institute of Technology의 엔지니어들은 유연한 시트와 거친 기계 부품을 형성 할 수 있는 새로운 유형의 플라스틱을 개발했습니다. 이 플라스틱은 자외선에 노출되거나, 80도 이상의 온도에 도달하면 몇 분에서 몇 시간 안에 녹아서 사라집니다. 원하는 때에 스스로 파괴되는 플라스틱을 만들기 위해서 이전에 이미 많은 노력이 있었지만, 그 플라스틱들은 모두 실온에서 분해되어 버렸습니다. 그러나 Georgia Tech 팀의 새로운 물질은 햇빛에 노출되지 않는 한 약 수년간 녹지 않고 안정적으로 유지 될 수 있습니다. 이 플라스틱은 원하는 데이터를 수집한 후 녹아내리거나, 일시적으로 접착제 역할을 하는 환경 및 의료 목적의 센서에도 사용할 수 있습니다. San Diego에서 열린 미국 화학 학회 (American Chemical Society) 회의에서 조지아 테크(Georgia Tech)의 화학 및 생물 분자 공학 교수 Paul Kohl은 “이들은 원하는 때에 사라지고자 하는 도구에 적합하다”고 말했습니다. Kohl은 Georgia Tech 과학자들이 이 플라스틱의 가장 최근의 개선된 점을 발표했습니다. 그의 팀은 수년간 이 플라스틱의 제조법을 연구 해 왔으며 그전부터 이러한 플라스틱을 만들기 위해 한 시도들 역시 한두번이 아니었습니다.
플라스틱을 만들기 위한 과정 1:재료 선정
플라스틱은 기본적으로 합성 고분자로 구성되는데, 이는 기본 단위 분자가 매우 강한 결합으로 연결되어 만들어진 긴 사슬입니다. 플라스틱을 기본 단위체 하나하나로 되돌리려면 목걸이 구슬을 구슬로 찢어내는 것과 마찬가지로 각 결합을 끊어야 합니다.
이 공정은 재료 환경의 습도, 산도, 온도 및 기타 요인에 의해 영향을 받으며, 플라스틱에 따라 보통 수개월이 걸릴 수 있습니다. Kohl 교수는 “스스로 분해되는 합성 플라스틱이 많이 있지만 속도가 매우 느린 과정”이라고 말했습니다. Kohl의 팀과 다른 연구자들은 외부의 명령에 따라 신속하게 파괴되면서도 내구성 있는 플라스틱을 만들기 위해 PPHA (polyphthalaldehyde)라는 재료를 선택했습니다. 모든 고분자와 마찬가지로 이 고분자 역시 특정 온도 이상으로 가열 될 때 기본 단위 분자로 나뉩니다. 그러나 매우 높은 열에서만 분해되는 다른 플라스틱(병 및 포장에 사용)들과 달리 PPHA는 실온 이하에서 분해됩니다. 그러나 PPHA는 분해하기 쉽지만 이를 안정화하기는 어려웠습니다.
플라스틱을 만들기 위한 과정 2:재료 선정
따라서 Kohl과 그의 동료들은 PPHA를 자체적으로 안정적으로 만들기 위해 사슬 구조의 끝과 끝을 서로 연결해 원형으로 만들었습니다. Kohl은 “결합이 풀릴 때에는 고분자의 끝에서부터 안쪽으로 분해됩니다”라고 말했습니다. 그래서 그 끝을 서로 연결하면 사슬 구조가 쉽게 분해되지 않는 것입니다. Kohl은 “이는 마치 바나나 껍질을 벗기는 것과 같습니다. "중간에서 벗겨 내기가 어렵습니다." 라고 말했습니다. 그렇게 이 고분자의 원형 구조로 인해 이 PPHA가 실온에서 단위 분자로 쉽게 분해되는 것을 막을 수 있지만, 만약 PPHA의 몸통에서 단 하나의 결합이라도 끊어지면 모든 것이 즉시 분리되어 단위 분자로 끊어집니다. 영국 버밍엄 대학의 화학 교수 Andrew Dove는 “Georgia Tech 팀이 한 번의 결합 끊기로 사슬 구조가 풀리도록 PPHA를 변형한 방식은 정말 좋은 해결책이었던 것 같습니다.”라고 하였습니다.
플라스틱을 만들기 위한 과정 3:화학 물질 처리
Georgia Tech 팀은 또 원형 PPHA에 화학 물질을 추가하여 결합이 끊어지는 과정을 살짝 바꾸었습니다. 고분자의 명령에 따른 분해를 유발하기 위해 연구원들은 햇빛을 받을 때, 산성이 되면 PPHA 결합을 공격하는 화합물을 혼합했습니다. 그리고 이 플라스틱으로 만든 기계에 임무를 완수하기에 충분한 시간을 주기 위해 고분자의 분해 속도를 늦추기도 했는데, 이를 위해 산과 반응하는 속도를 느리게 만드는 화합물 역시 추가했습니다.
플라스틱의 문제점과 해결책 1:불순물 제거
그러나 구조를 원형으로 만들었음에도, PPHA는 처음에는 장거리 운송에 충분히 안정적이지 못했습니다. 수많은 연구 후, Kohl과 그의 동료들은 주로 PPHA 사슬을 조립하는 데 사용되는 삼불화붕소(BF3) 촉매가 고분자의 불순물로써 포함됨이 주요 원인임을 발견했습니다. 연구 팀은 이러한 불순물 역시 모두 제거함으로써 플라스틱의 저장 수명을 늘렸습니다. Kohl은 “이것은 실온에서 20년 동안 지속될 것입니다.” 고 말했습니다.
플라스틱의 문제점과 해결책 2:이온성 액체 첨가
이러한 개선들에도 불구하고, 그 결과 만들어진 플라스틱은 비교적 부서지기 쉬운 질감으로 인해 사용하기가 어려웠습니다. 그러나 Kohl과 그의 동료들은 이온성 액체 (액체 형태의 소금)를 플라스틱에 첨가함으로써 이 문제를 해결했습니다. 이온성 액체들은 종류에 따라 두가지 효과를 각각 주는데, 하나는 플라스틱을 매우 단단하게 만들어 글라이더 날개 등에 활용할 수 있게 만들며, 다른 하나는 위와는 다르게 부드럽고 플라스틱을 접을 수 있게 합니다.
플라스틱을 사용한 도구의 개발 현황
DARPA라는 회사에서는 이미 이 플라스틱을 사용하여 가볍고 강한 글라이더와 낙하산을 만들었습니다. 2018년 10월, 이들 중 하나를 현장에서 테스트 했습니다. 글라이더는 어두운 밤에 하늘 높이 올라간 풍선 위에서 떨어지면 3파운드짜리 물건을 100마일 떨어진 지점으로 성공적으로 운송했다. 그 다음 날, 햇볕에 4 시간이 노출된 뒤면 땅에 글라이더가 녹아서 생긴 얼룩만 남기고 글라이더는 사라졌습니다. Kohl은 플라스틱이 눈부신 한낮의 태양 아래서 더 빨리 용해 될 수 있으며, 경우에 따라 5분도 걸리지 않을 수 있다고 말했습니다.
▶ 현재 문제점과 향후 전망
그러나 Georgia Tech 팀에서 만든 새로운 플라스틱은 그러나 여전히 도전에 직면해 있습니다. Dove는 빛에 노출 시 분해된다는 점에서 실생활에 적용되는 범위가 많이 제한될 것이라고 강조합니다. 또 스웨덴의 KTH 왕립 기술 연구소 (KTH Royal Institute of Technology)의 화학자인 앤 크리스틴 앨버트슨 (An-Christine Albertsson)은 플라스틱이 햇빛에 노출되어도 녹아서 생긴 얼룩이 생기므로 완전히 흔적을 지우지는 않는다고 지적했다. "이 플라스틱은 좋은 신소재입니다. 그러나 그것이 소비자들이 사용하는 여러 가지 물건들로까지 상용화 될지 확실하지 않습니다. 또 플라스틱이 분해 된 후에 남은 것 또한 중요합니다. 그것을 완전히 분해하여 환경을 보호하는 방법이 중요합니다.”라고 말했습니다. 현재 이 플라스틱이 햇빛에 의해 녹아 생긴 얼룩은 주로 고분자에 처리된 이온성 액체로 구성됩니다. 이 물질은 항균성 화학 물질로 병원에서 사용되는 물질과 유사합니다. 그러나 인간이 사용하거나 식품에 접촉하는 것에는 적합하지 않습니다. 앞으로 Georgia Tech 팀은 그 물질을 기화성으로 바꾸려고 노력할 것입니다.
<참고문헌>
1] Scientific American – disappearing plastics stay strong in the shadows and melt away in the sun
https://www.scientificamerican.com/article/disappearing-plastics-stay-strong-in-the-shadows-and-melt-away-in-the-sun1/
[2] 화학백과 - 고분자
https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=5663138&cid=62802&categoryId=62802
[3] 두산백과 - 플라스틱
https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1159717&cid=40942&categoryId=32281
<이미지>
[1]
https://www.scientificamerican.com/article/disappearing-plastics-stay-strong-in-the-shadows-and-melt-away-in-the-sun1/
[2] https://ko.wikipedia.org/wiki/%EA%B3%A0%EB%B6%84%EC%9E%90
<동영상>
[1] https://www.youtube.com/watch?v=1XdfxV8-OM8
Chemi 학생기자 김민준
2019년 가을호
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