플라스틱, 안녕? 과학자들이 금속과 유리보다 성능이 뛰어난 새로운 초소재를 개발했습니다.

네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재된 새로운 연구는 박테리아 셀룰로스를 고강도 다기능 소재로 엔지니어링하는 혁신적이고 확장 가능한 접근법의 개발을 보고합니다. 출처: 호르헤 비달/라이스 대학교

라이스 대학교와 휴스턴 대학교의 과학자들은 박테리아 셀룰로스를 고강도 다기능 소재로 엔지니어링하는 혁신적이고 확장 가능한 접근법을 개발했습니다. Nature Communications 에 게재된 이 연구는 박테리아 셀룰로스 섬유를 실시간으로 정렬하여 뛰어난 기계적 특성을 가진 견고한 바이오폴리머 시트를 생성하는 동적 생합성 기술을 소개합니다.

플라스틱 오염은 기존 합성 고분자가 미세 플라스틱으로 분해되면서 비스페놀 A(BPA), 프탈레이트, 발암 물질과 같은 유해 화학 물질을 방출하기 때문에 지속됩니다. 휴스턴 대학교 기계항공우주공학과 조교수이자 라이스 대학교 재료과학 및 나노공학과 겸임 조교수인 무함마드 막수드 라흐만이 이끄는 연구팀은 지속 가능한 대안을 모색하며 지구상에서 가장 풍부하고 순수한 바이오폴리머 중 하나인 박테리아 셀룰로스를 생분해성 대안으로 활용했습니다.

라이스 대학교 재료과학 및 나노공학 박사과정생이자 이 연구의 제1저자인 MASR 사디는 "저희의 접근 방식은 셀룰로스 생성 박테리아의 이동을 유도하고 성장 과정에서 움직임을 정렬하는 회전형 생물반응기를 개발하는 것이었습니다."라고 말했습니다. "이러한 정렬은 미생물 셀룰로스의 기계적 특성을 크게 향상시켜 일부 금속이나 유리만큼 강하면서도 유연하고 접을 수 있으며 투명하고 환경 친화적인 소재를 만들어냅니다."

박테리아 셀룰로스 섬유는 일반적으로 무작위로 형성되어 기계적 강도와 기능성에 한계가 있습니다. 연구진은 새로운 생물 반응기 내에서 제어된 유체 역학을 활용하여 셀룰로스 나노섬유의 현장 정렬을 달성하여 최대 436메가파스칼에 달하는 인장 강도를 가진 시트를 제작했습니다.

게다가 합성 과정에서 질화붕소 나노시트를 통합함으로써 약 553메가파스칼에 달하는 더욱 강력한 강도와 향상된 열적 특성을 가진 하이브리드 소재가 탄생했으며, 대조 샘플보다 열 방출 속도가 3배 더 빠른 것으로 나타났습니다.

"이러한 역동적인 생합성 접근법은 더 높은 기능성을 가진 더 강한 소재를 만들 수 있게 해줍니다."라고 사디는 말했다. "이 방법을 사용하면 다양한 나노 크기의 첨가제를 박테리아 셀룰로스에 직접 쉽게 통합할 수 있어 특정 용도에 맞게 소재 특성을 맞춤화할 수 있습니다."

라이스 대학교 생명과학과 박사후 연구원인 샤얌 박타(Shyam Bhakta)는 이 연구의 생물학적 측면을 발전시키는 데 중요한 역할을 했습니다. 라이스 대학교의 다른 공동 연구자로는 재료과학 및 나노공학과 벤자민 M. 앤더슨(Benjamin M. and Mary Greenwood Anderson) 교수인 풀리켈 아자얀(Pulickel Ajayan), 생명과학과 교수인 매튜 베넷(Matthew Bennett), 그리고 화학 및 생체분자공학과 교수인 마테오 파스칼리(Matteo Pasquali)가 있습니다.

"합성 과정은 본질적으로 규칙적인 박테리아 집단을 훈련하는 것과 같습니다."라고 사디는 설명했습니다. "박테리아를 무작위로 움직이는 대신, 특정 방향으로 움직이도록 지시하여 셀룰로스 생성을 정확하게 정렬합니다. 이러한 규칙적인 움직임과 생합성 기술의 다재다능함을 통해 정렬과 다기능성을 동시에 구현할 수 있습니다."

확장 가능한 단일 단계 공정은 구조재, 열 관리 솔루션, 포장, 섬유, 친환경 전자 제품 및 에너지 저장 시스템을 포함한 수많은 산업 응용 분야에 큰 가능성을 제공합니다.

라만은 "이 연구는 재료 과학, 생물학, 그리고 나노공학의 교차점에서 이루어지는 학제간 연구의 훌륭한 사례입니다."라고 덧붙였습니다. "우리는 이 강력하고 다기능적이며 친환경적인 박테리아 셀룰로스 시트가 널리 보급되어 다양한 산업 분야에서 플라스틱을 대체하고 환경 피해를 완화하는 데 도움이 될 것으로 예상합니다."

본 연구는 미국 국립과학재단(National Science Foundation, 2234567), 미국 산림 및 지역사회 기금(US Endowment for Forestry and Communities, 23-JV−11111129-042), 그리고 웰치 재단(Welch Foundation, C-1668)의 지원을 받았습니다. 본 연구의 내용은 전적으로 저자의 책임이며, 연구 지원 기관 및 연구 기관의 공식 견해를 대변하는 것은 아닙니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/07/250721223831.htm