새로운 여과 소재로 물에서 오래 지속되는 화학 물질을 제거할 수 있다.

오늘날 기술에 사용되는 화학 물질에 의한 물 오염은 전 세계적으로 빠르게 확산되고 있는 문제이다. 미국 질병통제예방센터의 최근 연구에 따르면, 검사를 받은 사람의 98%가 혈류에서 "영원한 화학 물질"이라고도 알려진 특히 오래 지속되는 화합물 계열인 PFAS가 검출 가능한 수준으로 검출되었다.

MIT 연구자들이 개발한 새로운 여과 소재는 이러한 완고한 오염 문제에 대한 자연 기반 솔루션을 제공할 수 있다. 천연 실크와 셀룰로스를 기반으로 한 이 소재는 이러한 지속성 화학 물질과 중금속을 광범위하게 제거할 수 있다. 그리고 항균 특성은 필터가 오염되는 것을 방지하는 데 도움이 될 수 있다.

이 연구 결과는 저널 ACS Nano에 MIT 포스트닥인 일린 장(Yilin Zhang), 베네디토 마렐리(Benedetto Marelli) 토목 및 환경 공학 교수와 MIT의 다른 4명이 쓴 논문에 설명되어 있다.

PFAS 화학 물질은 화장품, 식품 포장, 방수 의류, 소방 폼, 조리도구용 안티스틱 코팅을 포함한 광범위한 제품에 존재한다. 최근 연구에 따르면 미국에서만 이러한 화학 물질로 오염된 57,000곳이 확인되었다. 미국 환경 보호청은 PFAS 정화에 연간 15억 달러가 소요될 것으로 추정했다. 이는 음용수에서 이 화합물을 1조 분의 7 미만으로 제한하도록 요구하는 새로운 규정을 준수하기 위한 것이다.

PFAS 및 이와 유사한 화합물에 의한 오염은 "실제로 매우 큰 문제이며, 현재의 솔루션은 이 문제를 매우 효율적이거나 경제적으로 부분적으로만 해결할 수 있다."라고 장은 말한다. "그래서 우리는 이 단백질과 셀룰로스 기반의 완전히 자연스러운 솔루션을 생각해냈다."라고 그는 말한다.

"우리는 우연히 이 프로젝트에 참여하게 되었다."라고 마렐리는 말한다. 여과 소재를 가능하게 한 초기 기술은 그의 그룹이 전혀 관련 없는 목적을 위해 개발했다. 즉, 종종 품질이 낮은 위조 종자의 확산을 막기 위한 라벨링 시스템을 만드는 방법으로 말이다. 그의 팀은 실온에서 환경 친화적인 물 기반 드롭 캐스팅 방법을 통해 실크 단백질을 균일한 나노스케일 결정 또는 "나노섬유"로 가공하는 방법을 고안했다.

장은 그들의 새로운 나노섬유 재료가 오염 물질을 걸러내는 데 효과적일 수 있다고 제안했지만, 실크 나노섬유만으로는 초기 시도가 효과가 없었다. 팀은 다른 재료인 셀룰로오스를 추가해 보기로 했다. 셀룰로오스는 풍부하게 이용 가능하며 농업용 목재 펄프 폐기물에서 얻을 수 있다. 연구원들은 실크 피브로인 단백질을 물에 현탁한 다음 셀룰로오스 나노결정의 "씨앗"을 삽입하여 나노섬유로 템플릿화하는 자체 조립 방법을 사용했다. 이렇게 하면 이전에 무질서했던 실크 분자가 씨앗을 따라 일렬로 정렬되어 뚜렷한 새로운 특성을 가진 하이브리드 재료의 기초가 형성된다.

연구진은 얇은 막을 형성할 수 있는 실크 기반 섬유에 셀룰로오스를 통합한 다음 셀룰로오스의 전하를 조정하여 실험실 테스트에서 오염 물질 제거에 매우 효과적인 소재를 만들어냈다.

이미지 설명: 연구자들은 얇은 막으로 형성될 수 있는 실크 기반 섬유에 셀룰로오스를 통합한 다음 셀룰로오스의 전하를 조정하여 실험실 테스트에서 오염 물질을 제거하는 데 매우 효과적인 재료를 생산했다. 사진은 필터의 예이다.

그들은 셀룰로오스의 전기적 전하가 강력한 항균 특성을 제공한다는 것을 발견했다. 이는 여과막의 고장 원인 중 하나가 박테리아와 곰팡이에 의한 오염이기 때문에 상당한 이점이다. 이 소재의 항균 특성은 오염 문제를 크게 줄일 수 있다고 연구자들은 말한다.

"이러한 소재는 금속 이온과 이러한 새로운 오염 물질을 추출하는 데 있어 현재 물 여과에서 표준 소재와 실제로 경쟁할 수 있으며 현재 일부 소재보다 성능이 우수할 수도 있다."라고 마렐리는 말한다. 실험실 테스트에서 이 소재는 현재 사용되는 표준 소재인 활성탄 또는 과립 활성탄보다 물에서 훨씬 더 많은 오염 물질을 추출할 수 있었다.

마멜리는 새로운 작업이 원리 증명 역할을 하지만 팀은 특히 내구성과 원료의 가용성 측면에서 소재를 개선하기 위한 작업을 계속할 계획이라고 말한다. 사용된 실크 단백질은 실크 섬유 산업의 부산물로 제공될 수 있지만 이 소재를 물 여과에 대한 글로벌 수요를 충족하도록 확장하면 공급이 부족할 수 있다. 또한 대체 단백질 소재가 더 낮은 비용으로 동일한 기능을 수행할 수 있을 것이다.

처음에는 이 소재가 주방 수도꼭지에 부착할 수 있는 사용 지점 필터로 사용될 가능성이 높다고 장은 말한다. 결국에는 시립 상수도에 여과 기능을 제공하도록 확장할 수 있지만, 이는 상수도에 오염이 유입될 위험이 없다는 것이 테스트를 통해 입증된 후에야 가능하다. 하지만 이 소재의 가장 큰 장점 중 하나는 실크와 셀룰로스 성분이 모두 식품 등급 물질로 간주되어 오염이 발생할 가능성이 낮다는 것이다.

장은 "오늘날 사용 가능한 대부분의 일반 소재는 한 가지 오염 물질에 초점을 맞추거나 단일 문제를 해결하고 있다."라고 말한다. "우리는 이 모든 것을 동시에 해결하는 최초의 기업 중 하나라고 생각한다."

윌리엄 앤 메리 대학의 응용 과학 교수인 하네스 슈니프는 "이 접근 방식에서 내가 좋아하는 점은 실크와 셀룰로스처럼 자연적으로 자란 소재만 사용하여 오염과 싸운다는 것이다."라고 말한다. 그는 이 연구와 관련이 없다. "경쟁적인 접근 방식에서는 합성 소재를 사용한다. 일반적으로 화학이 만들어낸 일부 부정적인 결과에 맞서기 위해 더 많은 화학만 필요하다. [이 연구는] 이러한 순환을 끊는다! ... 이것이 경제적으로 실행 가능한 방식으로 대량 생산될 수 있다면, 이는 정말 큰 영향을 미칠 수 있다."

연구팀에는 MIT 포스트닥터인 Hui Sun과 Meng Li, 대학원생 Maxwell Kalinowski, 최근 졸업생이자 현재 Yale University의 포스트닥터인 Yunteng Cao 박사 '22가 포함되었다. 이 연구는 미국 해군 연구소, 미국 국립 과학 재단, 싱가포르-MIT 연구 기술 연합의 지원을 받았다.