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미국 코넬 대학(Cornell University)의 연구진은 단일 단계로 계층적인 다공성 폴리머를 제조할 수 있는 새롭고 간단한 방법을 개발했다. 기술적으로 중요한 다공성 폴리머는 촉매 변환기와 같은 분야에 사용될 수 있지만, 지금까지 합성하기가 매우 어려워서 적용에 어려움이 있었다.

산업의 많은 프로세스는 높은 표면적을 가진 재료를 필요로 한다. 이런 재료들은 많은 작은 기공을 일반적으로 가지는데, 이것은 단지 제한된 양의 가스 또는 액체만을 지나갈 수 있게 한다는 것을 의미한다. 이 문제를 해결할 수 있는 한 가지 방법은 다중(적어도 두 개) 기공을 연결하는 “계층식” 다공성 재료를 만드는 것이다.

Cornign 사는 이런 계층적인 다공성 재료를 생성하기 위해서 다단계 프로세스를 사용한다. 첫 번째 단계에서, 수백 마이크론의 다공성 채널을 가진 세라믹 모노리드(monolith)가 만들어진다. 그 후에 이 채널들은 나노크기 홀을 가진 높은 표면적 재료로 코팅된다. 이런 다단계 프로세스의 경우, 공정 간에 많은 비용이 들고, 시간이 많이 걸린다.

이 번 연구진은 단일 단계로 폴리머로부터 계층식 다공성 재료를 생성할 수 있는 방법을 개발했다. 이전 방법은 한 개의 공중합체 블록을 제거하는데 다중 단계를 필요로 했는데, 이번 방법은 물을 이용하는 간단한 세척 단계로 이것을 대체했다. 게다가, 이 기술은 잘 수립된 열역학적 원리들을 기반으로 하기 때문에, 이것은 다른 블록 공중합체 시스템에 이용될 수 있다.

이번 연구진의 방법은 소분자 첨가제와 블록 고분자 간의 “스피노달(spinodal)” 분해를 포함한다. 블록 공중합체는 녹아서 작은 몰 질량(molar mass) 첨가제와 함께 한 개의 블록 속에서 중간상 분리를 한다. 폴리스티렌폴리에틸렌옥사이드(polystyrene-block-polyethylene oxide, PS-b-PEO)와 PEO 올리고머(oligomer)는 용매 속에 함께 혼합되고, 그 후에 증발된다. 연구진이 선택한 첨가제는 수용성이기 때문에, 물로 박막을 세척했을 때 마이크론 크기의 기공(스피노달 분해로 발생)과 나노크기 기공(블록 공중합체의 도메인 중의 하나에서 첨가제를 제거함으로써 발생)이 생성된다.

스피노달 분해는 두 개의 구성요소(일반적으로 두 개의 고분자) 간의 상을 분리하는데 사용되는 방법이다. 이 프로세스 동안에, 연속적인 3차원 계면이 생성된다. 상 분리는 마이크론 크기에서 일반적으로 일어난다. 반대로, 블록 공중합체는 블록이 나노미터 길이에서 상 분리가 일어나는 고분자이다. 이 새로운 기술은 더 나은 촉매 변환기를 개발하는데 도움을 줄 수 있고, 계층적인 골격이 3 차원 세포 구조를 성장시키는 생물공학에 사용될 수 있을 것이다.

이 예비 결과를 토대로 해서, 이번 연구진은 이 프로세스의 물리적 특성을 더 잘 이해하려고 노력하고 있다. 연구진은 다른 재료에도 이 방법을 확대 적용하고 싶어 한다. 이 연구결과는 저널 Science에 “Hierarchical Porous Polymer Scaffolds from Block Copolymers”라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1126/science.1238159).

그림 1. 재료의 계층적인 특성.
그림 2. 연구진이 개발한 다공성 재료의 이미지.
KISTI 미리안 글로벌동향브리핑 2013-08-13