나노기술 및 정책 정보

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에어로젤(aerogel)은 일종 고체 물질 형태로서 세계적으로 밀도가 제일 작은 고체에 속하는데 지난 1931년도에 최초로 에어로젤(aerogel) 개념이 제시된 이래 이런 유형의 소재는 초고(超高) 표면적(＞100 m2 g-1), 초저(超低) 열전도율(12 Mw M-1 K-1 수준으로 낮음)과 초저(超低) 체적 밀도(1.2×10-4 g cm-3) 등 특성을 보유하고 있는 것으로 나타나 폭넓은 관심을 받아옴.

에어로젤(aerogel)은 열학(熱學), 광학, 전기학, 역학(力學)과 음성학 등 분야에서 많은 특이한 성능을 나타내고 있기 때문에 보온 열 차단 소재, ICF 및 X-레이 레이저 표적, 촉매제, 흡착제, 각종 유형 전자 디바이스 등 분야에서 우수한 성능 소재로 사용할 수 있는 것으로 나타났음.

그 중, 생물분해 가능한 소재(특히 천연 바이오 소재)로 제조할 수 있는 에어로젤(aerogel)은 지속가능성, 무(無) 독성, 쉬운 수정 특성, 조직 재생 등 우세를 보유하고 있기 때문에 식품, 공기/물 정화, 바이오 소재 분야에서 응용될 수 있음. 그러나 천연 바이오 소재로 제조한 에어로젤(aerogel) 기계 강도는 상대적으로 비교적 낮을 뿐만 아니라 유기 용매와 유독성 화학제품 사용과 관련되기 때문에 관련 제조와 응용은 모두 큰 제한을 받고 있는 상황임.

중국 쑤저우(蘇州, 소주) 대학교 왕샤오친(王曉沁, 왕효심) 교수, 쩡자오주(鄭兆柱, 정조주) 교수 연구팀은 미국 터프츠 대학교(Tufts University) David Lee Kaplan 교수 연구팀과 공동 연구를 실행하고, 연결 점에서 실크(silk) 나노 섬유(nano fiber) 3D 네트워크에 대한 용매 용접 방법을 통해 실크(silk) 구조를 랜덤 컬링(random curling)에서 안정적인 β 조각 구조로 전환시켜 물에 용해되지 않는 경량 실크(silk) 단백질 나노섬유(nano fiber) 에어로젤(aerogel)(SNFA)을 개발하였음.

동 SNFA는 양호한 기계 성능, 비교적 낮은 밀도(3.5mg/cm3), 비교적 높은 소수성(140.9°)과 다공성 표면 형태를 보유하고 있기 때문에 효율성이 높은 동시에 선택적으로 미립자(particulates)와 유지(油脂)를 흡착할 수 있는 것으로 나타났음.

일상적인 무기 에어로젤(aerogel)에 비해 동 SNFA는 바이오 호환성, 쉬운 수정, 환경 친화성, 저렴한 원가 등 강점을 보유하고 있기 때문에 공기와 물 정화, 바이오센서, 약물 전달과 조직 공정 등 분야에서 잠재적인 응용 가치를 보유하고 있음.

연구팀은 PEA 용매로 전기 방사(紡絲) 나노 섬유(nano fiber)를 용접하는 방법을 사용하고 물에 용해되지 않는 일종 경량 SNFA를 개발함. 교차하는 SNF 구조의 견고한 용접, β 조각 구조의 형성 및 SNF의 단일 방향 선정에 의해 제조된 SNFA에 뛰어난 성능을 부여하였으며, 구체적으로 밀도가 낮고, 상대적으로 비교적 높은 압력 저항 강도와 높은 소수성 성능을 부여함.

동 SNFA는 공기 정화 분야에서 PM 2.5 흡수가 가능하고, 수 처리 분야에서 잔류된 오일 흡착과 분리에 사용할 수 있기 때문에 폭넓고 밝은 응용 전망을 보유하고 있는 것으로 나타났음.

본 연구 성과는 ACS Nano("Low-Density Silk Nanofibrous Aerogels: Fabrication and Applications in Air Filtration and Oil/Water Purification")에 게재됨.