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천연 실크과 셀룰로오스를 기반으로 한 새로운 여과 물질
천연 실크과 셀룰로오스를 기반으로 한 새로운 여과 물질? 오늘날의 기술에 사용되는 화학 물질로 인한 수질 오염은 전 세계적으로 빠르게 증가하는 문제입니다. 미국 질병통제센터의 최근 연구에 따르면 검사 대상자의 98%가 혈류에서 영원한 화학물질로 알려진 특히 오래 지속되는 화합물 계열인 PFAS를 검출할 수 있는 수준으로 나타났습니다. MIT의 연구원들이 개발한 새로운 여과 물질은 이 고집스러운 오염 문제에 대한 자연 기반 솔루션을 제공할 수 있습니다. 천연 실크와 셀룰로오스를 기반으로 한 이 소재는 중금속뿐만 아니라 다양한 지속성 화학 물질을 제거할 수 있습니다. 또한 항균 특성으로 필터가 오염되는 것을 방지할 수 있습니다. 이 연구 결과는 MIT 포스트닥인 일린 장 토목 및 환경 공학 교수와 MIT의 베네데토 마렐리 외 4명의 논문에서 ACS 나노 저널에 설명되어 있습니다. PFAS 화학 물질은 화장품, 식품 포장, 방수 의류, 소방용 폼, 조리기구용 접착제 코팅 등 다양한 제품에 존재합니다. 최근 연구에 따르면 미국에서만 이러한 화학 물질로 인해 오염된 사이트가 57,000개에 달합니다. 미국 환경 보호국은 식수에서 화합물을 7% 미만으로 제한하는 새로운 규정을 충족하기 위해 PFAS 정화에 연간 15억 달러가 소요될 것으로 예상하고 있습니다. PFAS 및 유사 화합물에 의한 오염은 실제로 매우 큰 문제이며, 현재 해결책으로는 이 문제를 매우 효율적이거나 경제적으로 부분적으로만 해결할 수 있다고 일린 장은 말합니다. 이어서 우리는 이 단백질과 셀룰로오스 기반의 완전 천연 솔루션을 생각해 냈다고 설명했습니다. 마렐리는 우연히 프로젝트에 참여하게 되었다고 말합니다. 여과 재료를 가능하게 한 최초의 기술은 그의 그룹이 품질이 떨어지는 위조 종자의 확산에 대응하기 위한 라벨링 시스템을 만들기 위해 전혀 관련이 없는 목적으로 개발한 것입니다. 그의 연구팀은 상온에서 환경 친화적인 물 기반 드롭 캐스팅 방법을 통해 실크 단백질을 균일한 나노 스케일 결정인 나노피브릴로 가공하는 방법을 고안했습니다. 일린 장은 새로운 나노섬유 소재가 오염 물질을 걸러내는 데 효과적일 수 있다고 제안했지만 실크 나노섬유만으로는 초기 시도가 효과가 없었습니다. 연구팀은 농업용 목재 펄프 폐기물에서 얻을 수 있는 셀룰로오스라는 또 다른 재료를 추가하기로 결정했습니다. 연구진은 실크 피브로인 단백질을 물에 현탁시킨 다음 셀룰로오스 나노 결정의 종자를 삽입하여 나노섬유로 템플릿화하는 자기 조립 방법을 사용했습니다. 이로 인해 이전에 무질서했던 실크 분자가 씨앗을 따라 함께 정렬되어 뚜렷한 새로운 특성을 가진 하이브리드 재료의 기초가 형성됩니다. 연구진은 셀룰로오스를 얇은 막으로 형성할 수 있는 실크 기반 피브릴에 통합한 다음 셀룰로오스의 전하를 조정하여 실험실 테스트에서 오염 물질을 제거하는 데 매우 효과적인 물질을 생산했습니다. 연구진은 셀룰로오스의 전하가 강한 항균 특성을 제공한다는 사실을 발견했습니다. 여과막 실패의 주요 원인 중 하나는 박테리아와 곰팡이에 의한 오염이기 때문에 이는 상당한 이점입니다. 연구진은 이 물질의 항균 특성이 오염 문제를 크게 줄일 수 있을 것이라고 말합니다. 마렐리는 이러한 재료는 금속 이온과 이러한 새로운 오염 물질을 추출하는 데 있어 물 여과 분야의 현재 표준 재료와 실제로 경쟁할 수 있으며, 현재 그 중 일부를 능가하는 성능을 발휘할 수도 있다고 말했습니다. 실험실 테스트에서 이 물질은 현재 사용되는 표준 물질, 활성탄 또는 입상 활성탄보다 훨씬 더 많은 오염 물질을 물에서 추출할 수 있었습니다. 마렐리는 새로운 작업이 원칙의 증명 역할을 하지만, 특히 원자재의 내구성과 가용성 측면에서 재료를 개선하기 위해 계속 노력할 계획이라고 말합니다. 사용되는 실크 단백질은 실크 섬유 산업의 부산물로 사용할 수 있지만 이 소재를 물 여과에 대한 전 세계적인 수요를 해결하기 위해 확장해야 한다면 공급이 충분하지 않을 수 있습니다. 또한, 대체 단백질 물질은 더 저렴한 비용으로 동일한 기능을 수행하는 것으로 밝혀질 수 있습니다. 처음에는 이 소재를 주방 수도꼭지에 부착할 수 있는 사용 시점 필터로 사용할 가능성이 높다고 일린 장은 말합니다. 결국에는 지자체 상수도에 여과 기능을 제공하도록 규모를 확대할 수 있지만, 테스트 결과 이 기능이 상수도에 오염을 일으킬 위험이 없다는 것이 입증된 후에야 가능합니다. 그러나 이 소재의 가장 큰 장점 중 하나는 실크와 셀룰로오스 성분이 모두 식품 등급 물질로 간주되기 때문에 오염 가능성이 낮다는 것이라고 그는 말합니다. 이어서 일린 장은 현재 사용 가능한 대부분의 일반적인 자료는 한 가지 종류의 오염 물질에 초점을 맞추거나 단일 문제를 해결하는 것이고, 이 모든 문제를 동시에 해결한 것은 우리가 처음이라고 생각한다고 밝혔습니다. 이 연구와 관련이 없는 윌리엄 앤 메리 대학의 응용 과학 교수인 한네스 슈닙 교수는 이 접근 방식에서 본인이 좋아하는 점은 비단이나 셀룰로오스와 같이 자연적으로 재배된 재료만을 사용하여 오염에 맞서 싸우고 있다는 점이라고 말하며 경쟁적인 접근 방식에서는 합성 재료를 사용하는데 일반적으로 화학이 만들어낸 부정적인 결과에 맞서기 위해 더 많은 화학 물질만 필요합니다. 지금까지 천연 실크와 셀룰로오스를 기반으로 한 새로운 여과 물질을 연구하고 있는 일린 장의 말과 함께 살펴보았습니다.