요약:
미국 노스웨스턴 대학의 연구원들은 보호복이 위험한 화학물질을 차단할 뿐만 아니라 일부 독성이 강한 물질을 적극적으로 분해하고 독성을 줄일 수 있을 것으로 예상되는 새로운 직물 코팅을 개발하고 있습니다. 본 연구는 원래 군사분야에서 화학무기 보호에 대한 필요성에서 시작되었습니다. 미래에는 유해한 화학물질에 자주 노출되는 농업 및 화학 제조와 같은 산업에 새로운 보호 솔루션을 제공할 수도 있습니다.
신경작용제는 인간 신경계의 정상적인 기능을 빠르게 방해하고 뇌와 신체 사이의 신호 전달을 차단할 수 있기 때문에 특히 위험합니다. 심한 노출은 간질성 발작, 마비를 유발할 수 있으며 심지어 몇 분 안에 사망할 수도 있습니다. 현재 일반적인 보호복은 유해 물질을 격리하기 위해 주로 물리적 장벽에 의존합니다. 화학 물질이 피부에 닿는 것을 방지할 수 있지만 일반적으로 이러한 독성 물질을 적극적으로 파괴하지는 않습니다.
연구팀이 제안한 해결책은 특수한 원단을 재현하는 것이 아니라, 다양한 원단의 표면에 코팅이 가능한 기능성 화학 소재를 개발하는 것이다. 이는 섬유에 부착하는 염료 처리 공정과 유사하지만 단순히 직물의 색상을 변경하는 것이 아니라 소재에 독성 화학 물질을 적극적으로 처리할 수 있는 능력을 부여합니다.
이 연구는 팀이 10년 이상 이전에 수행한 연구를 바탕으로 이루어졌습니다. 2015년 노스웨스턴 대학교 연구진은 지르코늄 함유 물질이 독성 화학물질을 분해하는 데 도움이 될 수 있음을 발견했습니다. 이 연구에서는 지르코늄과 알로멜라닌이라는 멜라닌 유사 물질을 결합했습니다. 이 색소는 곰팡이의 천연 색소와 관련이 있으며 색상을 제공하는 것 외에도 작은 분자와 중금속 이온을 흡착하는 능력이 있습니다.
연구원들은 두 가지 성분 각각의 특성을 활용했습니다. 즉, 멜라노이딘은 미세한 스펀지처럼 유해한 분자를 가두는 다공성 구조를 갖고 있는 반면, 지르코늄은 갇힌 독성 물질을 파괴하는 화학 반응을 일으키는 역할을 합니다. 또한, 물은 반응 중에 촉매제로 작용하여 분해 과정을 활성화하는 데 도움을 줄 수 있습니다.
그러나 연구원들은 원래의 독을 분해한다고 해서 위험이 사라지는 것은 아니라는 사실을 곧 발견했습니다. 화학 반응은 때로는 원래 물질보다 더 위험한 새로운 부산물을 생성할 수 있습니다. 실험에서 지르코늄과 멜라노이딘은 함께 작용하여 두 가지 부산물을 생성했습니다. 하나는 무독성 디메틸 인산염이고 다른 하나는 독성이 매우 강한 메틸니트로페놀입니다.
이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 멜라노이딘의 흡착 능력을 다시 한 번 활용했습니다. 이 물질은 원래의 독성 화학물질을 포획하는 것 외에도 위에서 언급한 유해한 부산물을 결합하여 농도와 잠재적인 피해를 줄일 수도 있습니다.
실험 결과, 10분 이내에 메틸니트로페놀의 농도가 50% 감소한 것으로 나타났습니다. 연구자들은 또한 멜라노이딘의 양을 늘리고 물질을 햇빛에 노출시키면 이 부산물의 독성이 더욱 감소한다는 것을 발견했습니다. 그러나 연구팀은 햇빛 노출이 얼마나 많은 개선을 가져올 수 있는지 발표하지 않았습니다.
이 연구의 공동 저자이자 노스웨스턴 대학 교수인 Nathan Gianneski는 연구팀이 12년 이상 멜라닌에 대한 연구를 진행해 왔으며 자연에서 이 물질의 다양한 기능을 이해하고 재료 공학을 통해 이를 최적화하여 대규모 응용 가능성을 부여하려고 노력했다고 말했습니다. 그는 이번 성과가 새로운 보호 코팅을 보여줄 뿐만 아니라 보호 재료의 설계를 재고할 수 있는 아이디어도 제공한다고 믿습니다.
이 기술이 최종적으로 완성된다면 미래의 보호복은 더 이상 위험 물질을 수동적으로 차단하는 데 그치지 않고 특정 독성 화학 물질에 노출되었을 때 화학적 분해에 적극적으로 참여하여 오염 물질의 지속적인 존재로 인한 위험을 줄일 수 있습니다. 잠재적인 적용 시나리오에는 군인 보호, 살충제 처리 및 화학 물질 생산이 포함됩니다.
그러나 실험실 검증에서 실제 사용까지는 아직 갈 길이 멀다. 연구원들은 또한 다양한 온도, 습도 및 오염 조건에서의 반응 효율성, 장기 안정성 및 다양한 유형의 독극물에 대한 실제 보호를 포함하여 이 코팅이 실제 환경에서 어떻게 수행되는지 추가로 평가해야 합니다. 분해 생성물이 적절하게 제어되고 물질이 안정적으로 계속 기능할 수 있다는 것이 확인된 후에야 이 기술을 대량 생산되는 개인 보호 장비에 적용할 수 있습니다.
최근 'ACS Nano' 저널에 관련 연구 논문이 게재되었습니다.
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