생체 재료로 사용할 수 있는 다공성 폴리머 멤브레인 :: 전체

독일과 중국 연구팀은 예상치 못한 특성을 가진 다공성 폴리머 멤브레인을 개발했다. 이번 연구진은 아세톤과 같은 유기 용액의 기체와 접촉할 때 매우 빠르게 둥그렇게 감기는 멤브레인을 만들었다. 이런 액추에이터 막을 사용하면, 파리지옥풀(Venus flytrap)처럼 외부 자극에 반응하는 생물학적 구조를 모방할 수 있다.

이 액추에이터는 이전에는 사용하지 않는 다음과 같은 디자인 원리를 최초로 적용했기 때문에 실제 생물학적 모델과 매우 유사했다. 첫째, 이번 연구진은 재료의 상부를 딱딱하게 만들었고 재료의 하부를 부드럽게 디자인했다. 둘째, 호일은 용매가 멤브레인에 빠르게 접근할 수 있도록 기공이 산재되게 했다. 이것은 다른 액추에이터보다 외부 자극에 더 빠르게 반응한다. 이러한 재료들은 로봇의 인공 피부와 근육으로서 사용될 수 있고, 센서로서 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다.

식물은 근육이 없지만, 그럼에도 불구하고 매우 동적이다. 예를 들어, 아이스 플랜트(ice plant seed) 씨앗은 젖을 때 뚜껑이 열리고, 씨앗 외부가 건조될 때 다시 닫히게 된다. 식물은 성공적인 재생을 위해서 캡슐 뚜껑(capsule lid) 구조를 가진다. 상부와는 달리, 캡슐의 하부는 물을 흡수해서 팽창한다. 그 후에 젖은 뚜껑은 열리고 건조되면 다시 접히게 된다. 이번 연구진은 생물학적 방법과 매우 유사한 방식으로 생체 모방 액추에이터를 만들었다.

이 멤브레인은 이전의 폴리머 액추에이터보다 10배 더 빠르게 외부 자극에 반응한다. 또한 이것의 움직임은 더 크다. 멤브레인은 스스로의 무게의 약 20배를 들 수 있는 힘을 가진다. 그리고 이것은 다음과 같은 프로세스에서도 거의 완벽하게 작동한다: 첫째, 액체 질소를 사용해서 두 시간 동안 ?190℃까지 재료를 냉각하고 200℃까지 가열된다. 그리고 마지막으로 제곱센티미터당 1 톤의 압력을 가했다. 멤브레인은 이런 조건 하에서 반응 속도의 일부를 손실했지만, 이것은 액체와 접촉하게 될 때 움직이는 모든 폴리머 액추에이터보다 더 나은 작용을 한다.

재료 과학자들은 생물학적 모델처럼 작동하는 생체 모방 액추에이터를 개발하기 위해서 서로 다른 방법들을 이미 채택했다. 그러나 지금까지, 천연 모델과 근접한 모델을 만드는데 성공하지 못했다. 식물의 기계적인 구성요소처럼, 재료 구조가 이런 차이를 만들어내었다. 멤브레인은 경사를 가지고 다공성이다. 이런 두 개의 구조적인 특성 때문에, 이 액추에이터는 빠르게 움직이고 큰 움직임을 보일 수 있다. 지금까지 이러한 액추에이터는 두 개의 층으로 구성되었다. 두 개의 층은 서로 다른 액체의 양을 흡수한다. 이런 종류의 재료 조합은 상당히 작은 움직임을 가지게 하고 느리다. 이렇게 생성된 많은 시스템들은 제조하기가 매우 복잡하고 그들 중의 일부는 너무 뜨겁거나 건조될 때 작동하지 않는다.

이번 연구진은 매우 효율적인 멤브레인 액추에이터를 만드는데 최초로 성공했다. 아주 큰 기둥 분자들이 이 호일 속에 포함되었다. 그 후에 이번 연구진은 암모니아 용액을 사용해서 분자 기둥과 사슬을 연결했는데, 이것은 기둥의 연결점을 활성화시켰다. 여기서 암모니아 용액은 한 면의 멤브레인에만 접근할 수 있다. 용액은 호일 속에 천천히 흐른다. 결과적으로, 이것은 상부 면 위의 구성요소와 강하게 연결하지만 하부로 내려갈수록 이런 강도는 감소된다. 더 나아가, 액체 암모니아는 호일 속에 기공을 남기는 추가적인 효과를 가진다.

용매(아세톤)의 증기는 멤브레인의 기공을 통해서 빠르게 확산된다. 그러나 액추에이터의 유기 연료는 상부와 매우 강하게 연결된다. 이것은 하부로 침투하기 때문에, 이런 활성은 증가한다: 이것은 이온성 폴리머를 팽창시키고, 멤브레인은 구부려진다. 즉, 멤브레인은 서로 다른 용매를 구별할 수 있다.

이러한 액추에이터는 외부 자극에 반응해야 하는 분야에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다. 예를 들어, 이것은 로봇을 위한 인공 피부와 근육에 사용될 수 있을 것이다. 이번 연구진은 멤브레인을 적용할 수 있는 분야를 조사하고 있고, 액추에이터의 연료로서 사용 가능한 용매들을 조사하고 있다. 멤브레인은 용매에 따라서 매우 따른 특성을 가질 수 있는데, 이것은 서로 다른 유기 용매를 구별할 수 있는 센서로서 매우 적합하다.

이번 연구진은 새로운 재료를 추가적으로 개발할 목적으로 현재 연구를 진행하고 있다. 이 재료는 용매에 의해서 활성화되는 것이 아니라 빛에 의해서 활성화된다. 이 연구결과는 저널 Nature Communications에 “An instant multi-responsive porous polymer actuator driven by solvent molecule sorption”이라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/ncomms5293).