연구자들은 목재 기반 바이오제품인 리그닌을 나노입자로 전환하여 안개 방지 특성을 갖춘 투명한 코팅이나 착색된 반사 방지 표면을 만드는 빠르고 쉬운 방법을 개발했습니다. 이번 발견은 이 풍부한 폐기물을 안경에서 자동차 창문에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 유용한 재료로 변환합니다.
현재 순환 경제와 기후 변화에 초점이 맞춰져 있는 가운데, 목재의 세포, 섬유 및 용기를 함께 묶는 유기 물질인 리그닌은 화석 물질을 대체할 수 있는 유망한 재생 가능 자원으로 간주됩니다. 그러나 현재 펄프 및 제지 산업에서 발생하는 이 부산물은 충분히 활용되지 않고 있으며, 약 98%가 난방이나 발전용 연소에 사용됩니다.
리그닌 사용의 장애물 중 하나는 리그닌의 복잡한 분자 구조로 인해 분해가 어렵다는 것입니다. 이제 핀란드 알토 대학(Aalto University)의 연구원들은 리그닌을 김서림 방지 및 반사 방지 특성을 갖춘 바이오 기반 투명 코팅으로 전환하는 방법을 개발했습니다.
리그닌 나노입자(LNP)는 친수성이며 텍스처 생성에 적합하므로 광학 응용 분야, 특히 김서림 방지 특성이 필요한 응용 분야에 이상적입니다. 그러나 이러한 용도를 달성하는 데 있어 한 가지 문제는 입자의 불투명도를 극복하는 것이며, 이를 위해서는 필름 두께의 정밀한 제어가 필요합니다.
현재 연구에서 연구원들은 불투명도 문제를 극복하기 위해 LNP의 크기를 줄이는 방법을 모색했습니다. 입자가 작을수록 흐려지는 경향이 적고 빛이 더 균일하게 산란되기 때문입니다.
“광학 코팅은 투명해야 하지만 지금까지는 상당히 얇은 리그닌 입자 필름도 볼 수 있었습니다.”라고 이번 연구의 제1저자인 Alexander Henn이 말했습니다. "우리는 작은 입자가 덜 탁해 보인다는 것을 알고 있으므로 입자 크기를 최소한으로 줄여 눈에 보이지 않는 입자 필름을 만들 수 있는지 확인하고 싶었습니다."
입자 크기를 줄이기 위해 연구진은 아세틸 작용기를 유기 화합물에 도입하는 에스테르화 반응인 아세틸화를 통해 리그닌을 화학적으로 변형했습니다. 아세트산을 사용하여 상대적으로 낮은 온도인 60°C에서 단 10분 만에 반응을 유도하는 과정에서 예상치 못한 특성을 지닌 고농도의 초소형 LNP가 생성되었습니다.
Henn은 “내가 아세틸화 리그닌으로 만든 리그닌 입자는 매우 놀라운 특성을 갖고 있어 이 연구의 다른 부분을 매우 흥미롭게 만들었습니다.”라고 Henn은 말했습니다. "예를 들어, 포토닉 필름을 만들 가능성은 전혀 예상치 못한 일이었습니다."
입자의 크기가 작기 때문에 연구자들은 투명한 하위 단층에서 다층 필름에 이르기까지 층의 두께와 모양을 제어할 수 있었고, 이를 통해 다양한 파장의 빛의 색상과 흡광도를 제어할 수 있었습니다.
그들은 초박형 투명 코팅이 물방울로 인한 빛 산란을 감소시키는 것을 발견했으며 아세틸화 리그닌이 투명한 표면의 김서림 방지 코팅으로 사용하기에 적합하다고 결론지었습니다. 또한 코팅을 두껍게 하고 여러 층의 얇은 필름을 사용함으로써 연구원들은 코팅의 색상을 제어하여 밝은 노란색, 파란색 및 보라색을 얻을 수 있습니다. 이러한 두꺼운 코팅은 또한 광자 특성을 갖고 있어 빛을 반사합니다.
연구진은 아세틸화 반응의 속도와 단순성 및 높은 수율로 인해 리그닌이 탄소 흡수원이라는 추가적인 이점과 함께 산업 수준으로 확장될 수 있음을 의미한다고 말합니다.
해당 연구의 교신저자 중 한 명인 Monika Österberg는 "리그닌 기반 제품은 탄소 흡수원 역할을 하는 동시에 상업적인 가치를 가질 수 있어 현재의 화석 연료에 대한 의존도를 완화하고 CO2 배출을 줄이는 데 도움이 됩니다. 이와 같은 고부가가치 응용은 리그닌을 더 이상 연료로만 사용하지 않도록 리그닌의 가치화를 촉진하는 데 중요합니다."라고 말했습니다.
이 연구는 Journal of Chemical Engineering에 게재되었습니다.