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플라스틱(plastic)은 전자제품에서 자동차와 포장 재료에 이르는 모든 제품에서 인기를 끌고 있다. 일단 폐기되면, 플라스틱은 영구적으로 매립지와 해양에 남게 된다. 미국 노스다코타 주립대학(NDSU; North Dakota State University) 소속의 연구진이 수행한 새로운 연구는 신규 유형의 플라스틱이 특정 유형의 빛에 노출될 때 분해될 수 있으며, 이후 새로운 플라스틱을 생성하는 데 이용될 수 있는 분자로 환원될 수 있다고 밝혔다.

NDSU 산하 지속 가능한 재료 과학 연구소 소속의 연구진이 수행한 개념 증명 실험의 개요가 Angewandte Chemie 저널에 발표됐다. 다학제간 연구팀은 화학 및 생화학부 연구진이 포함됐다. 저명한 교수인 Mukund Sibi, Sivaguru Jayaraman, James A. Meier, 박사 후 연구원인 Saravana Rajendran, 석사 과정 학생인 Ramya Raghunathan, 박사 후 연구원인 Retheesh Krishnan, 연구원인 Angel Ugrinov 및 코팅 및 고분자 재료학부 학장이며 교수인 Ivan Hevus 등이 연구팀으로 참여했다.

연구팀은 농작물, 셀룰로오스, 리그닌 및 플라스틱을 생성하기 위하여 고분자로 만들어진 분자의 빌딩 블록(building block)을 생성하는 수크로오스 등으로부터 오일 씨드(oilseed)를 이용한 바이오매스(biomass)에 초점을 맞추었다. 21세기 큰 도전 과제 중 하나는 화석 연료의 의존성을 줄이는 지속 가능성이다. ND EPSCoR(North Dakota Experimental Program to Stimulate Competitive Research)과 공동으로 NDSU는 재생 가능한 자원인 바이오매스를 이용하여 고분자와 복합재료를 준비하는 프로그램을 개발하는 지속 가능한 재료 과학 연구소(Center for Sustainable Materials Science)를 설립했다.

실제적인 지속 가능성은 플라스틱을 분해하여 빌딩 블록으로 되돌리는 것이 포함된다. 연구진은 플라스틱을 빌딩 블록으로 분해할 수 있으며, 다시 고분자로 만들 수 있다는 것을 보여 주었다고 Sibi 박사는 밝혔다.

실험 증명 개념에서, 연구팀은 이후 플라스틱(고분자)으로 전환될 수 있는 분자 방안을 생성하기 위하여 과일에서 일반적으로 찾아볼 수 있는 과당(fructose)을 이용했다. 3시간 동안 350나노미터(nanometers)의 자외선(ultraviolet light)에 플라스틱을 노출시킴으로써, 연구진은 플라스틱을 분해했으며, 플라스틱을 용해가 가능한 빌딩 블록 분자(building block molecules)로 다시 환원시킬 수 있었다.

플라스틱은 보통 수백 년 동안 분해되지 않으며, 고체 폐기물 문제를 발생시킨다. 플라스틱은 일반적으로 느리게 분해되고, 연소될 때 대기로 독소를 생성시키거나 환경으로 화학물질을 침출시킬 가능성이 있다.

쉽게 분해될 수 있는 플라스틱을 생성하기 위한 이러한 전 생애 접근(cradle-to-cradle approach)은 화석 연료에 대한 의존성을 감소시킬 수 있으며, 필요한 원재료의 양을 감소시키는 궁극적인 제품을 위한 과학적 가능성을 제공한다고 Webster 박사는 밝혔다. 

연구진의 전략은 사용 후, 환경에서 원하지 않는 화학물질의 스트레스를 완화하기 위하여 빛을 이용하여 분해될 수 있는 바이오매스로부터 새로운 재료를 구축할 수 있는 가능성을 가진다. 이러한 관점을 해결하기 위한 연구가 현재 실험실에서 진행 중이라고 Sivaguru Jayaraman은 밝혔다.

Sibi 박사 실험실은 단량체와 바이오기반의 기폭제를 제작했다. Siva 박사 연구진은 광화학적 과학과 광분해(photo degradation)에 전문적인 특성을 보유하고 있다. Webster 박사 연구팀은 고분자 화학을 연구하고 있다.

이러한 팀워크가 플라스틱을 원하는 때 분해할 수 있는 연구를 가능하게 하고, 연구팀이 이러한 문제를 해결하는 데 모든 분야의 전문가를 필요로 한다고 Sibi 박사는 밝혔다. 

연구진은 추가적인 연구가 가능한 제품 상용화가 발생하기 전 바이오매스로부터 유도된 가능한 플라스틱의 내구성과 강도를 평가할 필요가 있다고 밝혔다. 플라스틱을 분해하기 위하여 사용하는 가장 우수한 촉발제는 무엇인가? 연구팀이 제작할 수 있는 가장 우수한 고분자는 무엇인가에 대한 고심도 필요하다고 Sibi 박사는 밝혔다.

향후 2년 이내에, 연구팀은 이 공정이 다른 품목뿐 아니라 자동차와 전자기기 등에 사용됐던 플라스틱에 어떻게 사용될 수 있는가를 조사할 계획이다. 이러한 연구는 국립 과학 재단(NSF; National Science Foundation, 지원 번호 EPS-0814442와 IIA-1355466)의 지원으로 수행됐다.

KISTI 미리안 글로벌동향브리핑 2014-12-01





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