과학자들은 최근 "Nature Communications"에 연구를 발표했는데, 미국 라이스 대학교와 휴스턴 대학교 팀이 간단하고 확장 가능한 공정을 통해 박테리아 셀룰로오스를 생산하는 동안 방향성 섬유 정렬을 달성하여 일부 전통적인 플라스틱을 대체할 유망한 것으로 간주되는 고강도 및 다용성을 모두 갖춘 바이오 기반 소재를 생산했다고 밝혔습니다.
플라스틱 오염은 오랫동안 전 세계적인 문제였습니다. 일반적인 합성 고분자는 환경에서 미세 플라스틱으로 분해되어 비스페놀 A(BPA), 프탈레이트 및 일부 발암 물질과 같은 유해 화학 물질을 방출합니다. 이를 위해 Mohammad Maqsood Rahman이 이끄는 연구팀은 자원이 풍부하고 순도가 높으며 생분해성이 있는 천연 생체고분자-박테리아 셀룰로오스에 주목했습니다.
연구에 따르면 박테리아 셀룰로오스 자체는 나노 규모의 섬유로 구성되어 있으며 우수한 기계적 기초를 가지고 있습니다. 그러나 자연성장과정에서 섬유의 방향이 불규칙하여 전체적인 성능이 제대로 발휘되지 못하는 문제점이 있다. 또한, 이러한 3차원 치밀한 네트워크에 다른 나노필러를 도입할 경우에도 분산 및 침투의 어려움에 직면하여 소재의 기능 확장이 제한됩니다. 위 문제를 해결하기 위해 연구팀은 유체의 움직임을 이용해 셀룰로오스를 생성하는 박테리아의 이동 방향을 안내하여 성장 과정에서 "강제적으로 정렬"되도록 하는 회전식 생물반응기를 설계하여 방향성 섬유 성장을 달성했습니다.
M.A.S.R. 논문의 제1저자이자 라이스대학교 박사과정 학생인 Saadi는 이 방법이 원래 무작위로 수영하던 박테리아가 정해진 방향으로 이동하고 그 과정에서 방향적으로 셀룰로오스를 생성할 수 있게 하는 "규율 있는 박테리아 팀 훈련"과 동일하다고 말했습니다. 이러한 동적 생합성 전략을 통해 연구진이 생산한 배향성 박테리아 셀룰로오스 시트는 약 436MPa의 인장 강도를 가지며, 이는 일부 금속 및 유리와 강도가 비슷합니다. 또한 유연하고 접을 수 있으며 투명하고 환경 친화적입니다.
추가 실험에서 연구팀은 육각형 질화붕소 나노시트를 박테리아 배양 영양 용액에 직접 추가하여 합성 과정에서 현장에서 셀룰로오스 네트워크에 통합될 수 있도록 했습니다. 이 복합재료의 인장강도는 최대 553MPa로 향상됐고, 열성능도 대폭 향상됐다. 열전도도가 대조 시료의 약 3배로 열을 빠르게 발산하는 데 도움이 됩니다. 연구진은 이 방법이 재료 생성 단계에서 여러 나노 첨가제의 '하단 통합'에 편리함을 제공하고 응용 요구 사항에 따라 기계적, 열적 및 기타 특성을 조정할 수 있다고 강조했습니다.
팀은 이러한 단일 단계의 상향식 준비 경로가 산업 규모 확대의 잠재력을 가지고 있다고 믿습니다. 공정의 단순화와 다양한 소재 소스 덕분에 향후 포장재, 섬유, 구조재, 열관리, 친환경 전자소자, 에너지 저장 분야 등의 분야에 적용이 기대된다. Rahman은 이 연구가 강력하고 다기능이며 친환경적인 박테리아 셀룰로오스 시트가 다양한 시나리오에서 일부 플라스틱을 대체하고 환경 피해를 줄일 수 있도록 하는 궁극적인 목표와 함께 재료 과학, 생물학 및 나노공학 분야의 학제간 연구의 힘을 보여 준다고 지적했습니다.
연구팀은 박테리아 셀룰로오스를 괴롭혀온 섬유 배향 및 필러 확산의 오랜 문제를 해결함으로써 이 공정이 이 천연 바이오폴리머를 위한 고성능 엔지니어링 재료의 문을 열었다고 결론지었습니다. 그들은 이 생분해성, 성능 조절이 가능한 바이오 기반 소재가 기존 플라스틱에 대한 의존도를 줄이는 현실적인 길을 제공하고 글로벌 플라스틱 오염 제어에 새로운 기술적 상상력을 제공한다고 믿습니다.