혁신 발명: 거미줄 섬유 구조의 시사점

 

맹도 교수팀은 거미줄 마이크로섬유 내부에 중공 구조를 구축함으로써 섬유의 집수성을 현저히 향상시켰다.연구에 따르면 이 모조 마이크로섬유의 매달린 액적 부피는 방추절 부피의 1663배로 집수 능력 수치가 기존 문헌 보도된 수치를 훨씬 초과한 것으로 나타났다.

담수 자원의 부족은 이미 전 세계 사회와 경제 발전을 제약하는 주요 요소가 되었다.통계에 따르면 해수자원은 지구상의 모든 수자원의 96.54%를 차지하고 민물자원은 2.53%에 불과하며 0.36%의 민물자원만 인류가 직접 이용할 수 있다. 어떻게 더 많은 민물자원을 얻을 수 있는지는 시급히 해결해야 할 문제이다.

최근 국제화학분야 저널'재료화학학보'A호에 실린 서남교통대학 멍타오 교수팀의 연구 성과인 중공 연속 통로를 가진 모조 거미줄 마이크로섬유를 이용한 효율적인 집수팀은 모조 거미줄 마이크로섬유 내부에 중공 구조를 구축해 섬유의 집수성을 현저하게 향상시켰다는 연구 결과가 나왔다.이 모조 마이크로섬유의 매달린 액적 부피는 방추절 부피의 1663배로 집수 능력 수치는 기존 문헌 보도된 수치를 훨씬 능가한다.

거미줄 섬유 구조의 계시

현재 수질 오염과 담수 자원 부족 등의 문제로 인해 수자원 위기는 갈수록 광범위한 관심을 받고 있다.해수 담수화와 폐수 처리 기술의 적용성, 간편성과 원가 효율 등의 문제로 인해 일부 지역에서는 이런 기술을 사용하여 담수 자원을 얻지 못한다.최근 몇 년 동안 각 분야의 과학자들은 대자연에서 영감을 얻고 모조 집수 기술을 연구하려고 시도했다.

자연계에서 대다수 생물들은 열악한 환경에 대응하는 독특한 능력을 가지고 있다. 장기적인 자연 선택을 통해 일부 생물들은 안개에서 수분을 얻어 자신의 생존을 제공할 수 있다. 이것은 민물 수집 시스템에서 기능적인 모조 재료의 디자인과 제조에 영감을 제공했다.지금까지 연구자들은 나노포 사막 갑충의 집수 기리, 선인장의 집수 기리, 거미줄의 표면 집무 기리 등을 이용하여 상응하는 모조 집수 재료를 대량으로 개발하였다.

비가 온 후의 아침이나 습한 구석에서 사람들은 거미줄에 대량의 영롱한 액방울이 걸려 있는 것을 종종 발견할 수 있다.연구에 따르면 실제로 거미줄은 강력한 집수 기능을 가지고 있는데 그 집수 능력은 독특한 섬유 구조 때문이다. 이 구조는 주기적인 방추절과 관절로 구성되고 그 중에서 방추절은 무작위로 어지러운 나노섬유로 구성되며 관절은 가지런하게 배열된 나노섬유로 구성된다.건조 조건에서 습한 조건으로 바뀔 때 거미줄의 구조에 변화가 생겨 방추절(물을 저장할 수 있다)이 나타난다.작은 물방울이 거미줄에 응결되면 구동력 작용하에 방추절 방향으로 운동하여 물을 모으게 된다.

천연 거미줄의 계발을 받아 연구자들은 거미줄 구조를 모방한 마이크로섬유를 만들어 대기에서 민물을 수집할 계획이다.그러나 최근 몇 년 동안의 연구는 섬유 표면의 형상을 조절함으로써 모세의 작용력을 향상시키는 데 집중되었는데 이런 방식은 섬유의 집수 성능 향상에 한계가 있다.따라서 현재 마이크로섬유의 집수 능력을 높이는 것은 여전히 지속적인 도전이다.

중공 마이크로섬유는 더욱 우수한 집수성을 보여 준다

이를 바탕으로 서남교통대학 맹도 교수팀은 내부 구조에서 섬유의 집수 성능 개선 방법을 탐구했다.연구 과정에서 팀은 유수 체계와 기액 체계의 미류 제어 등 기술을 시도했고 대량의 실험을 실시했지만 모두 이상적인 효과에 이르지 못했다.

결국 연구팀은 세포 내외 수상분구의 구조에서 계발을 얻어 쌍수상층류를 바탕으로 하는 마이크로스피드 제어 방사 기술을 사용하여 쌍수상분구 효과의 기리를 이용하여 인터페이스에서 신속하게 교련하여 섬유를 형성했고 후속 물질의 확산과 릴레이 반응을 막아 거미줄 중공 마이크로섬유를 형성했다.맹도는 "모조 거미줄 중공 마이크로섬유와 모조 거미줄 실심 마이크로섬유를 같은 조건에서 비교 집수 실험을 실시한 결과 중공 구조가 섬유의 집수 성능을 강화하고 모조 거미줄 중공 마이크로섬유의 집수 능력이 더욱 우수하다는 것을 증명하였다"고 말했다.

왜 실심 방추 절미 섬유보다 거미줄 중공 마이크로 섬유가 더욱 우수한 액적 매달림 능력을 나타낼 수 있을까?이어 "중공 통로의 존재로 인해 액체와 섬유 사이의 3상 접촉선의 길이가 길어지고 액체가 받는 모세 작용력이 강화돼 섬유가 액체를 매달아 놓는 능력을 높였다"고 덧붙였다.멍타오는 액체 방울이 중공 마이크로섬유에 걸렸을 때 중공 통로 안의 액체 기둥이 모세교를 형성하고 액체 기둥 양쪽 반월판 모양이 오목하게 들어간 것은 매달린 액체 방울에 추가적인 모세 작용력을 제공하는데 이런 작용력은 매달린 액체 방울의 능력을 향상시키는 데 중요한 공헌을 한다고 설명했다.

모세 작용은 액체 표면이 고체 표면에 대한 흡인력을 가리킨다.액체 표면은 팽팽한 고무막과 유사한데, 만약 액면이 구부러지면, 그것은 평평해지는 추세이다."침윤액체가 모세관에 있는 액면은 오목한 형태로 아래의 액체에 당김을 가하여 액체가 파이프 벽을 따라 상승하게 한다. 위로 당김이 파이프 안의 액주가 받는 중력과 같을 때 파이프 안의 액체는 상승을 멈추고 균형을 이룬다."맹도는 예를 들어 자연계와 일상생활에서 많은 모세현상의 예가 있다. 예를 들어 식물 줄기 안의 도관은 식물 체내의 극히 가는 모세관으로 토양 속의 수분을 흡수할 수 있다.또한 벽돌의 흡수, 수건의 땀 흡수, 분필의 잉크 흡수는 모두 흔히 볼 수 있는 모세 현상으로 이런 물체에는 많은 작은 구멍이 있어 모세관의 역할을 한다.

따라서 모세작용력을 빌려 모조 거미줄 중공 마이크로섬유의 액적 매달림 능력을 증가시키고 액적 매달림 부피가 클수록 단위 시간 내에 공기에서 포획된 수분이 많아져 마이크로섬유가 공기에서 수분을 채취하는 효율을 높일 수 있다.

용도가 광범위한 모조 거미줄 마이크로섬유

오늘날 사람들은 거미줄 중공 마이크로섬유의 좋은 기계적 성능을 이용하여 장기적이고 대규모로 물을 모을 수 있다.인간은 대량의 미섬유를 제조하여 거미줄 모양의 구조로 엮어 습한 아침과 저녁 공기 속에서 대기 중의 수분을 수집할 수 있다.맹도는 "이런 방법은 가뭄에 시달리는 사막, 물이 부족한 섬 등 극단적인 환경에도 적용되어 민물 부족에 대한 수요를 충족시킨다"고 소개했다.

맹도는 방추절미섬유가 집수 분야에서의 응용과 혁신을 추진하기 위해 팀은 후속으로 집수 과정에서 액적과 섬유가 상호작용하는 인터페이스 기리와 규모화 거미줄 중공미섬유를 생산하는 기술 등을 체계적으로 깊이 있게 연구할 것이라고 밝혔다.이어 "또한 섬유의 집수성능 실험은 일정 습도의 안개 아래에서 이뤄졌으며, 향후 연구에서는 방추절 마이크로섬유가 습도가 매우 낮은 환경에서 어떻게 물을 수집할 수 있는지, 풍속, 온도, 안개 유량 등 집수성능에 대한 다른 외부 조건도 고려해야 한다"고 덧붙였다.

이 미세섬유는 집수뿐 아니라 의약, 화장품, 친환경, 방산 등에도 활용할 수 있는 것으로 알려졌다.예를 들어 거미줄 중공 마이크로섬유는 상처 팩으로 의약 분야에 응용할 수 있다.이 재료는 생물 상용성 재료로 상처 표면을 덮으면 남은 상처의 침출액을 효과적으로 흡수하고 겔로 상처를 보호할 수 있다.또한 섬유의 제조 과정에서 쌍수상을 도입했기 때문에 섬유는 효소, 단백질을 봉하는 특성을 가지고 있기 때문에 이 섬유는 성장인자, 항염과 응혈을 촉진하는 약물을 부하하여 상처 팩으로 삼아 상처의 상처 치유를 가속화시키는 효과가 있다.