새로운 자가 치유 고분자 :: 산업뉴스

미국 연구진인은 생체 모방을 통해서 새로운 자가 치유 폴리머를 만드는데 성공했다. 예를 들어, 태양 아래에 며칠 동안 방치함으로써 스스로의 균열을 밀봉할 수 있는 서핑 보드, 스스로 고정되는 수중 구조, 수술 후에 점점 더 강해지는 관절 등은 공학 과학 소설처럼 보이지만, 캘리포니아 대학의 샌타바버라 캠퍼스(UC Santa Barbara)의 연구진은 이것이 현실로 이루어질 수 있다는 것을 보여주었다.

1990년대 후반 이후로, 많은 과학자들은 건조 조건 하의 자가 치유 폴리머에 많은 관심을 가졌다. 이번 연구진이 원했던 것은 습한 조건 또는 수중에서 치유될 수 있는 폴리머를 연구하는 것이다. 수중의 자가 치유 특성은 홍합에서 영감을 얻었다. 홍합은 난류가 흐르는 물 속에서 바위에 부착될 수 있는 능력을 가졌다.

물의 존재는 접착제가 완전히 마를 수 없게 한다. 그래서 건조 조건 하에서 자가 치유할 수 있는 폴리머는 수중에서는 작용하지 않는다. 그러나 홍합에 의해서 분비되는 단백질은 표피상의 액체 층을 관통해서 하부 표면에 부착될 수 있는 능력을 가진다.

이런 특정 단백질에서, 카테콜 기(catechol group)의 비율은 높다. 그래서 모든 잔류물의 1/3을 차지한다. 카테콜은 자연에서 폭넓게 발생하는 유기 화합물이다. 그러나 단백질 속에서 이것의 발생은 드물다. 홍합에 의해서 분비되는 이런 단백질 속의 카테콜(30%)은 매우 큰 의미를 가진다.

이번 연구진은 홍합에서 영감을 얻어서 합성 카테콜로 강도를 변화시킨 불용성 폴리머 막대를 만들었다. 이번 연구진은 막대를 절단하고, 산성도를 변화시키는 완충 용액 속에 막대의 끝을 침전시키고, 가벼운 압력을 그들에게 인가했다.

이번 연구진은 폴리머와 카테콜 기 사이의 접착 측정을 수행했다. 폴리머 표면 사이의 접착력을 측정하기 위해서, 이번 연구진은 표면 힘 장치(Surface Forces Apparatus)를 사용했다. 이 장치는 이번 연구진이 개발한 것이다. 이것은 분자 크기 이하에서 표면 사이의 상호작용 힘을 측정할 수 있다.

카테콜은 액체 조건 하에서 폴리머가 자가 치유할 수 있는 능력을 가지게 했다. 습식 조건 하의 표면들은 접착력의 대부분을 저하하는 수성 층을 가진다. 그러나 카테콜 사이의 분자 간의 수소 결합은 이런 층을 극복하고 자가 치유를 할 수 있게 한다. 이런 카테콜 기는 서로 훨씬 더 강하게 결합되는 경향을 가진다.

낮은 pH(산성)의 용액이 폴리머 표면 위의 이런 카테콜에 노출될 때 강한 접착력을 가지지만, 더 높은 pH(알칼리) 조건일 경우에 카테콜의 작용은 차단된다. 압력과 폴리머의 강성은 스스로 재결합할 수 있는 폴리머 막대의 능력에 큰 영향을 끼친다.

이 연구결과는 산업에서부터 의학까지 다양한 분야에 적용될 수 있다. 물에 정기적으로 노출되는 재료(부두, 보트 선체)를 더 적은 노력과 시간으로 복구할 수 있다. 습식 환경 속의 자가 치유 표면들은 보다 덜 교체될 수 있다. 많은 마모가 발생할 수 있는 임플란트는 유지 관리를 위한 수술을 덜 수행할 수 있다.

합성 폴리머는 더 쉽게 합성할 수 있고 더 비용 효율적이다. 이번 연구진은 이 연구결과의 잠재력을 조사하는데 현재 많은 노력을 기울이고 있다. 이 연구결과는 저널 Nature Materials에 “Surface-initiated self-healing of polymers in aqueous media”라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/nmat4037).