제목	저렴하고 가벼울 뿐 아니라 강력한 재활용 플라스틱의 발견
작성자	tawake88
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KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-05-22   미국 IBM 소속의 연구진은 참신한 컴퓨터 화학 하이브리드 접근(computational chemistry hybrid approach)을 이용하여, 최초의 고분자 군이 20여 년 전 발견된 이래로 새로운 군의 고분자 재료(polymer material)를 성공적으로 발견했다. 이러한 재료는 교통, 항공우주 및 초소형 전자공학 등에 제조 및 제작을 전환시킬 가능성이 있다.   비스아닐린(bisaniline)과 파라포름알데히드(paraformaldehyde)의 응축으로 형성되는 새로운 군의 고분자는 단단한 열경화성 고분자(thermoset polymer)를 형성할 수 있거나 더 많은 산소가 공급됐을 때, 자기 치유 겔(self-healing gel)을 생성한다. 합성 고분자 화학에 고성능 전산을 결합하여 개발된 이러한 새로운 재료는 균열에 내성을 보여준 최초의 재료이다.   또 뼈보다 더 높은 강도를 보여 주었으며, 원래 형태(자기 치유)로 변형할 수 있는 능력이 있으며, 출발 물질로 돌아가 완전히 재생 가능하다. 또 강산 온침(strong acid digestion)은 비스아닐린 단량체의 회수를 가능하게 해준다. 또 이러한 재료는 초강력이며 경량으로 만들어주는 50%까지 강도를 추가로 강화시켜 새로운 고분자 구조로 변형시킬 수 있다.   이 연구는 Science에 발표됐으며, 미국 UC Berkeley, 네덜란드 아인트호벤 기술대학(Eindhoven University of Technology) 및 사우디아라비아의 KACST(King Abdulaziz City for Science and Technology) 등의 연구진이 공동 연구자로 참여했다. 고분자는 화학 결합을 통하여 연결된 고리가 긴 분자이다. 비록 현재 무수히 많은 응용이 있지만, 오늘날 고분자 재료는 일부 방안에는 그 사용이 제한적이다.   교통, 항공우주 및 구조적 구성 요소 또는 복합 재료 등은 많은 환경 요인(연료의 노출과 세정제 등)에 노출되며, 열악한 환경 스트레스(environmental stress)인 균열 내성(crack resistance, 용매에 대한 노출로 인한 파괴)을 나타낸다. 또 이러한 고분자는 재조형 및 재작업이 수행될 수 없거나 고온에서 가열에 의해 열적으로 분해되기 때문에, 재활용이 어렵다. 그 결과 고분자는 생분해가 불가능한 가소제(plasticizer), 충전제 및 색상 첨가물 등과 같은 독소와 함께 매립지에 처분된다.   Science에 발표된 논문에서, 버지니아 공과대학 소속의 Tim Long 박사는 다음과 같이 지적했다. 열가소성 수지(thermoplastics)는 상승된 온도에서 유연하거나 주조될 수 있는 고분자이지만, 냉각될 때 고체 상태로 복귀한다. 따라서 이러한 고분자는 쉽게 가공될 수 있거나 가열로 재가공될 수 있다. 따라서 열가소성 수지는 식품과 음료 포장에 광범위하게 사용되고 있다.   반대로 열경화성 수지(thermosets)는 화학적으로 가교를 이루는 고분자, 네트워크 또는 고온에서 열적으로 분해될 수 없는 고리 사이의 화학적 결합을 가지는 겔이다. 열경화성 수지는 고온 전자기기 또는 자동차 응용에 이상적이지만, 용액 가공 또는 융해에 의해 재가공 또는 재활용될 수 없다.   많은 연구진이 현재 재활용이 가능한 네트워크, 재작업이 가능한 봉합재(encapsulant), 가역적인 겔, 자기 치유 고분자성 코팅 및 자극 반응성 고분자 구조(stimuli-responsive polymeric structure) 등의 개념으로 이러한 고전적인 정의에 도전 중이다. 목표는 가역적인 재활용성과 재가공성을 가진 상용 열경화성 수지의 이상적인 화학적 안정성과 열 안정성을 결합한 열경화성 수지를 생성하는 것이다.   IBM의 새로운 군의 재료 발견은 원하는 특성을 조절하여 학계, 재료 제조사 및 고성능 재료 최종 사용자 등을 위한 이례적인 연구 및 응용을 위한 새로운 기회를 제공한다. 연구진은 높은 강성도(stiffness), 용매 내성, 일단 균열이 도입되면 자체적으로 치유하는 능력 및 강도를 추가로 강화시키기 위하여 복합 재료로 채우기 위한 수지로 사용될 수 있는 등을 포함한 매우 뚜렷한 특성을 보유하는 두 개의 새로운 관련된 재료 군을 발견했다.   또 구조적 구성원소를 재활용하기 위하여 선별하는 능력은 버려지는 대신 결합이 있는 부품 또는 칩을 고부가로 재작동할 수 있는 반도체 산업, 개선된 제조 또는 수송 등을 위한 개선된 복합 재료 등에 상당한 영향을 초래한다. 이러한 새로운 발견은 제조 분야를 강화시키고, 비용을 절감할 뿐 아니라 초소형 전자기기 폐기물을 상당히 감소시킨다.   비록 고성능 재료에서 상당한 연구가 이루어지고 있지만, 오늘날 공학적으로 제어된 고분자는 아직까지 몇 가지 근본적인 속성이 결여되어 있다. 새로운 재료 혁신은 주요한 전 세계 도전과제, 새로운 제품의 개발 및 출현하는 붕괴 기술 등을 해결하는데 중요하다.   연구진은 현재 분자가 어떻게 화학 반응에 반응할 것인지와 재료 발견을 촉진하는 전산 기술로부터 상당한 지침을 가지고 어떻게 새로운 고분자 구조를 구축할 것인지를 예측할 수 있다. 이것은 IBM의 독특한 기술로 연구진으로 하여금 교통, 초소형 전자기기 또는 개선된 제조업 등에서 응용을 수행하기 위한 개선된 재료의 복잡한 니즈를 해결한다고 IBM 소속 연구진인 James Hedrick은 밝혔다.   IBM의 컴퓨터 화학 하이브리드 접근은 새로운 고분자 형성 반응을 모형화하기 위하여 고성능 전산 시스템을 사용한다. 독특한 방법은 전통적인 기술에서 출발했으며, 1950년대 이후 집중적으로 연구된 재료 과학 분야에서 수립된 이론에서 이전까지 발견되지 않았던 몇 가지 군의 고분자의 규명으로 이어졌다.   이상적으로 과학자들은 정확한 조건을 충족하는 재료를 고안하기 위하여 필요조건을 컴퓨터에 입력할 수 있다. 그러나 실제는 재료가 아직까지 과학자의 지식, 경험 및 경험에서 우러난 추측 등을 기반으로 하는 연구실 실험에 의해서만 발견되고 있다. 연구진의 컴퓨터 화학 노력은 수많은 짐작을 제거하고 질병 특이성 약물 또는 저렴하고, 가볍고 단단하며 완전히 재활용할 수 있는 자동차용 패널 등을 개발하는 가능한 응용 범위를 촉진한다. 이러한 고분자는 단순한 공정으로 생성되며 믿기 힘들 정도로 조절이 가능한 응축 반응을 통하여 동일한 저렴한 출발 물질에서 형성된다.   고온(250 ˚C)에서 고분자는 공유 결합(covalent bond)의 재배열을 이유로 상당히 강력해진다. 고분자를 잡아주는 용매를 소실하여, 그 결과 더 깨지기 쉽다. 이러한 고분자는 염기성 물에 노출될 때 온전히 남아 있지만, 매우 높은 산성 물에 노출될 때, 선택적으로 분해된다. 이것은 적절한 조건 하에서, 이러한 고분자가 다른 고분자로 재사용될 수 있는 출발 물질로 다시 전환될 수 있음을 의미한다.   또 재료는 만약 탄소 나노튜브 또는 다른 강화 충진재가 고분자에 혼합되어 고온에서 가열된다면 심지어 더 높은 강조로 제조될 수 있다. 이러한 공정은 고분자가 금속과 유사한 특성을 가지게 하고, 이러한 복합 재료 혼합이 항공기와 자동차 제조에 사용될 수 있는 이유가 된다. 이러한 사례에서 금속 대신 고분자를 사용하는 장점은 수송 산업에서 연료비용(fuel cost) 절감으로 이어질 수 있는 보다 더 가볍다는 점이다.   낮은 온도에서, 또 다른 유형의 고분자는 대부분의 고분자보다 더 강력하지만 고무줄처럼 늘어나는 네트워크 내에 잡혀 있는 용매 때문에 유연성(flexibility)을 유지하는 탄성 겔(elastic gel)로 전환될 수 있다. 이러한 겔의 이례적이고 뛰어난 특성은 만약 탄성 겔이 혹독한 조건을 겪는다면, 각 조건들은 물리적으로 접촉할 정도로 원래의 근접한 위치로 복귀하고, 화학적 결합이 조각 사이에 다시 형성되어 수 초 이내에 다시 단일 유닛을 만든다.   반동물 고분자(hemiaminal polymer) 네트워크에서 수소 결합 상호작용을 이유로 가능한 자가 치유 능력을 보유하기 때문에, 이러한 유형의 고분자는 자가 치유(self healing)라고 불린다. 이러한 유형의 재료가 가지는 미래의 모습 중 하나는 고분자 혼합물에서 자기 치유 특성을 유발하기 위하여 다른 고분자와 혼합 또는 접착제로 이 재료가 사용될 수 있다는 점이다. 게다가 이러한 고분자는 가역적인 구조를 가지고 이러한 사실은 중성수로 재활용될 수 있으며, 약물 전달 장치와 같은 가역적 결합을 필요로 하는 응용에 사용될 수 있을 것이다.   그림1> 다이아민과 파라포름알레히드의 반응을 통한 3 기능성 가교 지점이 열적으로 안정적이고 기계적으로 연성인 열경화성 수지     그림2> 탄소 나노튜브로 강화된 새로운 초강력 고분자       원본 바로가기 http://www.greencarcongress.com/2014/05/20140516-ibm.html
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