과학자들은 화살에서 영감을 받아 더욱 안전한 노스틱 코팅을 발명했습니다.

연구진은 분자 수준에서 깃털에서 영감을 받은 디자인을 활용하여 테플론만큼 효과적인 PFAS-lite 코팅을 개발했습니다. 출처: Shutterstock

토론토 대학 공학 연구진이 개발한 새로운 소재는 조리도구 및 기타 응용 분야에서 일반적으로 사용되는 노스틱 화학물질에 대한 더 안전한 대안을 제공할 수 있습니다.

새로운 물질은 기존의 노스틱 코팅만큼 물과 기름을 잘 막아내지만, 환경 및 건강 문제를 일으키는 화학 물질 계열인 퍼플루오로알킬 및 폴리플루오로알킬 물질(PFAS) 함량이 훨씬 낮습니다.

토론토 대학교 공과대학의 내구성 있는 발수성 첨단 소재(DREAM) 연구실 소장인 케빈 골로빈 교수는 "연구 커뮤니티는 오랫동안 PFAS의 안전한 대안을 개발하려고 노력해 왔습니다."라고 말했습니다.

"문제는 물을 튕겨내는 물질을 만드는 것은 쉽지만, 기름과 그리스를 같은 수준으로 튕겨내는 물질을 만드는 것은 어렵다는 것입니다. 과학자들은 이러한 대체 소재의 성능에 한계에 부딪혔습니다."

1930년대 후반에 발명된 이후, 폴리테트라플루오로에틸렌 또는 PTFE라고도 불리는 테플론은 물, 기름, 그리스를 모두 차단하는 능력으로 유명해졌습니다. 테플론은 퍼플루오로알킬 및 폴리플루오로알킬 물질(PFAS)로 알려진 더 큰 물질군에 속합니다.

PFAS 분자는 탄소 원자 사슬로 이루어져 있으며, 각 사슬은 여러 개의 불소 원자와 결합되어 있습니다. 탄소-불소 결합의 불활성이 PFAS의 비점착성을 결정합니다.

그러나 이러한 화학적 불활성 때문에 PFAS는 시간이 지남에 따라 다른 유기 분자를 분해하는 정상적인 과정에 저항합니다. 이러한 이유로 PFAS는 '영원히 존재하는 화학물질'이라고 불리기도 합니다.

PFAS는 지속성이 있을 뿐만 아니라 생물 조직에 축적되는 것으로 알려져 있으며, 먹이 사슬을 따라 이동하면서 농도가 증폭될 수 있습니다.

다양한 연구에 따르면 높은 수준의 PFAS 노출은 특정 유형의 암, 선천적 기형 및 기타 건강 문제와 관련이 있는 것으로 나타났으며, 일반적으로 긴 사슬 PFAS가 짧은 사슬보다 더 해로운 것으로 간주됩니다.

위험성에도 불구하고, 대체 물질의 부족으로 인해 PFAS는 소비자 제품에서 여전히 흔히 발견됩니다. 조리도구뿐만 아니라 방수 직물, 식품 포장재, 심지어 화장품에도 널리 사용됩니다.

골로빈은 "PFAS의 대안으로 우리가 연구해 온 소재는 폴리디메틸실록산, 즉 PDMS입니다."라고 말했습니다.

PDMS는 종종 실리콘이라는 이름으로 판매되며, 제조 방식에 따라 생체 적합성이 매우 뛰어납니다. 실제로 체내 이식용 장치에 자주 사용됩니다. 하지만 지금까지 PDMS는 PFAS만큼 우수한 성능을 발휘하지 못했습니다.

이 문제를 해결하기 위해 박사과정 학생인 사무엘 아우(Samuel Au)는 나노스케일 플레칭(nanoscale fletching)이라고 불리는 새로운 화학 기법을 개발했습니다. 이 기법은 Nature Communications 에 게재된 논문에 기술되어 있습니다 .

"일반적인 실리콘과 달리 우리는 PDMS의 짧은 사슬을 기본 소재에 결합합니다. 마치 솔의 강모와 같다고 생각하면 됩니다."라고 Au는 말합니다.

기름 제거 능력을 향상시키기 위해, 우리는 탄소 하나에 불소 세 개가 결합된 가장 짧은 PFAS 분자를 첨가했습니다. 우리는 이 중 약 일곱 개를 각 PDMS 강모 끝에 결합할 수 있었습니다.

"나노미터 크기로 축소할 수 있다면, 화살촉 뒤쪽에 있는 깃털처럼 보일 겁니다. 화살촉이 활에 닿는 부분에 깃털이 있는 거죠. 이걸 플레칭이라고 하는데, 이게 나노스케일 플레칭입니다."

오와 연구팀은 새로운 소재를 천 조각에 코팅한 후, 다양한 오일 방울을 떨어뜨려 얼마나 효과적으로 PFAS를 차단하는지 확인했습니다. 미국 섬유화학자·색료협회(American Association of Textile Chemists and Colorists)에서 개발한 등급 기준에 따르면, 이 새로운 코팅은 6등급을 받았으며, 이는 많은 표준 PFAS 기반 코팅과 동등한 수준입니다.

골로빈은 "이 과정에서 PFAS 분자를 사용했지만, 이는 가능한 가장 짧은 분자이기 때문에 생물농축되지 않습니다."라고 말했습니다.

"문헌과 규정을 통해 확인된 바에 따르면, 가장 긴 사슬의 PFAS가 먼저 금지되고, 짧은 사슬의 PFAS는 훨씬 덜 해로운 것으로 간주됩니다. 저희의 하이브리드 소재는 장쇄 PFAS와 동일한 성능을 제공하면서도 위험성은 크게 낮춥니다."

골로빈은 논스틱 코팅제 제조업체들이 공정 규모를 확대하고 상용화하기를 원할 경우, 팀원들과 협력할 의향이 있다고 밝혔습니다. 그동안 그들은 더 많은 대안을 모색하기 위한 노력을 계속할 것입니다.

골로빈은 "이 분야의 성배는 테프론보다 성능이 뛰어나지만 PFAS가 전혀 없는 물질입니다."라고 말했습니다.

"아직은 그 수준에 이르지 못했지만, 올바른 방향으로 나아가는 중요한 한 걸음입니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/07/250726234409.htm