새로운 형상 변환 플라스틱 :: 전체

미국 연구진은 마이크로로봇과 수술에 매우 유용하게 적용될 수 있는 새로운 형상 변환 플라스틱을 개발했다.

형상 기억 폴리머는 형태가 변화된 후에 다시 원래의 형상으로 돌아갈 수 있는 스마트 플라스틱 재료이다. 원래 형상으로 돌아가기 위해서는 열 또는 압력과 같은 외부 자극이 필요하다. 이런 폴리머는 매우 복잡한 형상(코일, 매듭, 종이접기와 같은 형상)을 만들 수 있지만, 이런 변형을 가역적으로 되돌릴 수는 없다.

최근에 특정 폴리머에서 가역적인 형상 기억이 가능했지만, 다양한 형상으로 변환되는 것은 어려웠다. 주로, 한 개의 형상에서 또 다른 형상으로의 전환을 위해서는 외부의 기계적 힘이 지속적으로 필요했다. 현재, 이번 연구진은 화학적 구조를 디자인함으로써 새로운 탄성중합체(elastomer, 탄성과 점성을 가진 폴리머)를 개발하는데 성공했다.

노스캐롤라이나 대학의 채플힐 캠퍼스(University of North Carolina at Chapel Hill), 코네티컷 대학(University of Connecticut), 미 에너지부의 브룩헤이븐 국립 연구소(U.S. Department of Energy`s Brookhaven National Laboratory)의 연구진은 프로그램된 형상 간의 가역적인 변화를 할 수 있는 일반적인 방법을 고안했다. 이번 연구진은 다양한 종류의 균일한 화학적 조성을 가진 반결정성 탄성 중합체(semicrystalline elastomer)를 사용했고, 지속적인 외부 힘을 적용하는 일 없이 형상 변환을 달성했다. 이 연구결과는 저널 Macromolecules에 게재되었다.

이번 연구진은 결정성 폴리머 도메인과 폴리머의 화학적 네트워크 간의 상호작용을 이용함으로써 한 개의 상태에서 또 다른 상태로 일방적인 형상 변화와 가역적인 변환을 달성할 수 있었다.

이 연구결과는 손상을 최대한 줄인 외과 수술, 손을 사용하지 않는 포장, 항공 우주 산업, 마이크로로봇 산업 등에 형상 기억 재료들이 매우 중요하게 적용될 수 있게 할 것이다. 가역적인 형상 기억 폴리머는 특히 관심을 끌고 있다. 이것은 다양한 길이 크기로 매우 복잡한 형상 변환을 할 수 있고, 다양한 외부 자극(열, 광, 전자기장, 음파)에 반응해서 변환될 수 있기 때문이다.

이번 연구진은 탄성체를 제조했는데, 그들은 140°F에서 코일 모양으로 비틀려졌고 그 후에 약 40°F까지 냉각되면 직선의 탄성 중합체가 되었다. 100°F까지 재가열되면, 직선의 탄성 중합체는 어떠한 힘을 적용하는 일 없이 자발적으로 원래의 코일 형상으로 돌아간다. 코일의 각도는 많은 가열 및 냉각 주기 후에도 반복적으로 재현될 수 있었다. 동일한 가역적인 반응으로 소정의 각도로 구부려진 상태를 직선으로 변환시킬 수 있고, 별 또는 그리퍼(gripper) 접기 및 펼치기를 수행할 수 있다는 것을 증명했다.

이번 연구진은 가역성을 일으키는 분자 메커니즘과 상변환 동안에 폴리머 속의 나노크기 구조 변화를 측정하기 위해서 NSLS(National Synchrotron Light Source)의 빔라인 X9와 소각 x-선 산란을 사용했다.

이번 연구진은 이 재료 속의 분자, 나노크기, 메조크기의 효과를 이해하기 위해서 현재 노력하고 있다. 많은 구조적 변화들은 자발적으로 다양한 크기에서 일어나고 있고, 이것은 이 현상을 분명하게 알지 못하게 한다. 이런 재료의 복잡성은 작은 결정체의 상호작용과 화학적으로 가교된 폴리머 네트워크 때문에 발생한다. 이런 현상은 연구를 더 어렵게 하지만 더 큰 흥미를 부여한다. 이번 연구진은 NSLS-II가 제안하는 새로운 가능성에 흥미를 가지고 있다. 이것은 거시적인 변형이 일어나거나 기계적인 응력이 적용될 때 실시간으로 다양한 크기의 구조와 동역학을 탐침할 수 있게 한다.

이 연구결과는 저널 Macromolecules에 “Reversible Shape Memory in Semicrystalline Elastomers”라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1021/ma4023185).