과학자들이 강철에 필적하는 강하면서도 가벼운 플라스틱을 개발했습니다. 화학자들이 폴리머라고도 부르는 플라스틱은 단량체라고 불리는 짧은 반복 단위로 구성된 긴 사슬 분자입니다. 기존의 동일한 강도를 가진 폴리머와 달리, 이 새로운 소재는 막 형태로만 제공됩니다. 또한 시중에 나와 있는 가장 밀폐성이 뛰어난 플라스틱보다 50배 더 기밀성이 뛰어납니다. 이 폴리머의 또 다른 주목할 만한 특징은 합성 과정이 매우 간단하다는 것입니다. 상온에서 진행되는 이 공정에는 저렴한 재료만 필요하며, 나노미터 두께의 대형 시트 형태로 대량 생산이 가능합니다. 연구진은 2월 2일 학술지 네이처(Nature)에 이 연구 결과를 발표했습니다.
문제의 소재는 폴리아미드라고 불리며, 아미드 분자 단위(아미드는 산소로 결합된 탄소 원자에 질소가 결합된 화학 작용기)가 실처럼 얽혀 있는 구조입니다. 이러한 고분자에는 방탄조끼 제작에 사용되는 케블라 섬유와 내화 직물인 노멕스가 있습니다. 케블라처럼, 새로운 소재의 폴리아미드 분자들도 사슬 전체에 걸쳐 수소 결합으로 연결되어 있어 소재의 전체적인 강도를 향상시킵니다.
"이 물질들은 벨크로처럼 서로 달라붙습니다."라고 주저자인 MIT 화학공학자 마이클 스트라노는 말했습니다. 이 물질을 찢으려면 개별 분자 사슬을 끊는 것뿐만 아니라 고분자 다발 전체에 퍼져 있는 거대한 분자간 수소 결합을 극복해야 합니다.
또한, 이 새로운 고분자는 자동으로 플레이크 형태로 변형될 수 있습니다. 이러한 특성 덕분에 박막으로 제작하거나 박막 표면 코팅으로 사용하는 등 가공이 용이합니다. 기존의 고분자는 방향에 관계없이 선형 사슬 형태로 성장하거나 3차원 공간에서 반복적으로 분기 및 연결되는 경향이 있습니다. 그러나 스트라노의 고분자는 독특한 방식으로 2차원 공간에서 나노시트 형태로 성장합니다.
"종이 한 장에 데이터를 합칠 수 있을까요? 대부분의 경우, 저희 연구 이전까지는 불가능했습니다."라고 스트라노는 말했습니다. "그래서 저희는 새로운 메커니즘을 발견했습니다." 이번 연구에서 그의 연구팀은 2차원 데이터 합산을 가능하게 하는 난관을 극복했습니다.
폴리아라미드가 평면 구조를 갖는 이유는 고분자 합성 과정에서 자기촉매 템플레이팅이라는 메커니즘이 작용하기 때문입니다. 고분자가 길어지면서 단량체 구성 요소에 달라붙으면, 성장하는 고분자 네트워크가 후속 단량체들이 올바른 방향으로만 결합하도록 유도하여 2차원 구조의 결합을 강화합니다. 연구진은 용액 상태의 고분자를 웨이퍼에 쉽게 코팅하여 두께가 4나노미터 미만인 1인치 너비의 라미네이트를 만들 수 있음을 입증했습니다. 이는 일반 사무용지 두께의 거의 백만분의 일에 불과합니다.
연구진은 고분자 소재의 기계적 특성을 정량화하기 위해, 공중에 매달린 소재 시트에 가는 바늘로 구멍을 뚫는 데 필요한 힘을 측정했습니다. 이 폴리아미드는 낙하산 제작에 사용되는 나일론과 같은 기존 고분자보다 훨씬 단단합니다. 놀랍게도, 같은 두께의 강철을 풀 때보다 이 초강력 폴리아미드를 풀 때 두 배나 더 많은 힘이 필요합니다. 스트라노에 따르면, 이 물질은 자동차 외장재와 같은 금속 표면의 보호 코팅이나 물 정화 필터로 사용할 수 있습니다. 특히 물 정화 필터의 경우, 이상적인 필터 멤브레인은 얇으면서도 고압을 견딜 수 있을 만큼 강해야 하며, 미세한 오염 물질이 최종 공급수로 새어 들어가지 않도록 해야 합니다. 이러한 조건에 이 폴리아미드 소재는 완벽하게 부합합니다.
스트라노는 앞으로 이 중합 방법을 케블라 유사체뿐만 아니라 다른 다양한 고분자에도 적용할 수 있기를 희망합니다. 그는 "고분자는 우리 주변 어디에나 있습니다. 모든 것을 할 수 있죠."라고 말했습니다. 그는 전기나 빛을 전도하는 특이한 고분자를 포함하여 다양한 종류의 고분자를 얇은 필름으로 만들어 다양한 표면을 덮을 수 있다고 상상해 보라고 덧붙였습니다. 스트라노는 "이 새로운 메커니즘 덕분에 이제 다른 종류의 고분자도 사용할 수 있게 될지도 모릅니다."라고 말했습니다.
플라스틱으로 둘러싸인 세상에서, 기계적 특성이 일반적이지 않은 새로운 고분자 소재가 등장한 것은 매우 고무적인 일이라고 스트라노 교수는 말했습니다. 이 아라미드 소재는 내구성이 매우 뛰어나 페인트, 비닐봉투, 식품 포장재 등 일상생활에서 사용하는 플라스틱을 더 적고 강한 소재로 대체할 수 있다는 뜻입니다. 스트라노 교수는 지속가능성 측면에서 볼 때, 이 초강력 2차원 고분자 소재는 플라스틱으로부터 세상을 해방시키는 데 한 걸음 더 나아가는 것이라고 덧붙였습니다.
시엔 킴(보통 킴이라고 불림)은 말레이시아 출신의 프리랜서 과학 작가이자 2022년 봄호 Popular Science 편집 인턴입니다. 그녀는 거미줄의 기발한 활용법(인간이나 거미 자체의 활용)부터 우주 공간의 쓰레기 수거 장치에 이르기까지 다양한 주제에 대해 폭넓게 글을 써왔습니다.
보잉의 스타라이너 우주선은 아직 국제 우주 정거장에 도달하지 못했지만, 전문가들은 세 번째 시험 비행에 성공할 것으로 낙관하고 있습니다.
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게시 시간: 2022년 5월 19일