신소재: 생물합성 섬유소기 절연 나노종이 연구 응용

남극, 달, 화성 등 극한 환경에 대한 인류의 탐사가 깊어짐에 따라 끊임없이 나타나는 극한 환경 조건은 강한 자외선(UV) 환경, 원자산소(AO)와 고저온 교체 환경 등을 포함하여 이미 향후 탐사의 주요 장애가 되었다.이러한 극한의 환경에서는 재료의 물리 화학적 특성이 변하고 심하면 중요한 장비와 장치의 손상까지 초래할 수 있습니다.전통재료가운데서 금속과 도자기 자체는 뛰여난 기계적성능과 극단적인 환경에 대한 내성을 갖고있지만 금속재료는 밀도가 너무 높고 무게가 너무 큰 문제에 직면하고있으며 도자기재료는 아삭아삭하고 가공하기 어려운 등 문제에 직면하고있다.다른 한편으로 중합물은 경량과 가소성의 특징을 갖고있지만 현재 대다수 중합물기복합재료는 극단적인 환경에서 장기적으로 복역하면 고온연화와 저온연성 등 문제가 산생된다.따라서 극한의 환경에서 장기간 복무할 수 있는 고성능 보호재를 설계하고 제조하는 것은 재료 분야가 직면한 난제 중 하나다.

최근 중국과학원 원사이자 중국과학기술대학 교수인 유서굉팀은 극단적인 조건에서도 우수한 기계와 전기절연성능을 유지할수 있는 고성능섬유소 키나미즈종이재료를 보도했다.이 나노페이퍼는 이 연구팀이 초기에 개발한 에어로졸 보조생물합성(AABS) 방법을 통해 박테리아에서 나온 섬유소인 나노섬유(BC)를 이용해 재료에 분산된 합성운모(S-Mica)를 균일하고 촘촘하게 엉켜 얻은 것이다.관련 성과는 Nacre-inspired bacterial cellulose/mica nanopaper with excellent mechanical and electrical insulating properties by biosynthesis라는 제목으로'어드밴스드 머티리얼즈'(Advanced Materials)에 발표됐다.

그림 1 복합 나노 용지의 제조와 구조.(a) 생물합성복합나노용지의 구조과정 설명도;(b) 나노 종이의 디지털 사진;(c) 나노 종이의 진주 암컷을 모방한"벽돌-진흙"구조.

연구진은 AABS 전략을 이용해 박테리아 섬유소로 합성 암컷 나노 조각을 복합 하이드로겔에 균일하게 부하한 뒤 열압을 통해 최종 암컷 구조를 본뜬 나노 종이 재료를 얻었다 (그림 1).나노페이퍼의 정교한'벽돌-진흙'구조 덕분에 얻은 나노페이퍼는 고강도(~375MPa), 고형량(~14.9 GPa), 고인성(~16.44MJ m-3), 접을 수 있고 굴곡 피로 저항성 등 우수한 역학적 성능을 보였다.이와 동시에 재료내부의"벽돌-진흙"구조는 운모의 높은 매개전기강도를 충분히 발휘하여 이 나노종이에 비교적 높은 전기충격천강도(145.7kV mm-1)를 부여하였다.이 복합 나노시트는 순수 섬유소인 나노시트에 비해 상업용 폴리이미드(PI) 필름을 능가할 정도로 코로나 내성 수명이 크게 향상됐다.

그림 2 나노 용지의 종합적인 성능.(a) 나노 종이의 역학적 성능 표징;(b-c) 나노종이의 종합성능과 문헌중의 절연재료의 대비;(d) 나노종이 열진 전후의 역학적 성능 대비;(e) 나노 종이가 액체 질소 속에서 구부러진 사진;(f) 나노 종이의 열팽창 계수;(g) 나노페이퍼의 원자산소에 대한 내성 표징;(h-i) 나노 종이의 자외선에 대한 내성 표징.

또한 이 연구에서 보도된 BC/S-Mica 나노 종이는 고저온 교체, 자외선과 원자산소 AO 등 극단적인 조건에서도 우수한 종합 성능을 보여 향후 극단적인 환경에 대한 탐색에 좋은 보호재 선택을 제공했다.

관련 연구사업은 국가자연과학기금프로젝트, 국가중점연구개발계획프로젝트, 중국대학교협동혁신계획과 안휘성중점연구개발계획프로젝트 등의 지지를 받았다.