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자체 파괴가 가능한 플라스틱 만들기

플라스틱 오염문제는 우리가 살아가는 21세기의 가장 큰 문제 중 하나로 떠오르고 있다. 2018년 8월 6일 뉴욕타임즈 보도이다.

 

아담 파인버그는 밝은 노란색의 얇은 플라스틱을 작은 조각으로 만들어야 했다. 그는 어바 나 샴페인의 일리노이 대학 로고 "I"모양의 금형을 선택하였고 플라스틱 비트로 그것을 채운 후 오븐에 넣었다.

“내가 몰드를 열었을 때 아름다운 ‘I’가 있었다.”그의 새로운 플라스틱은 첫 시험을 통과했다. 이것은 일반 플라스틱처럼 열로 형태를 만들 수 있었다. 하지만 또 다른 중요한 단계가 남아 있었다. 바로 내구성 있는 플라스틱을 고안하는 것이었다.

파인버그 박사가 백광 아래 ‘I’를 놓고 5분 후 확인하였을 때 반절이 사라져 있었다. 반은 바닥에 떨어져있었고 그것들을 다시 맞추어보니 ‘I’의 중간에 구멍이 뚫려있었으며 찐득찐득했다.

플라스틱은 간단히 녹일 수는 없었다. 합성고분자 빌딩 블록은 분자 단위로 되돌아갔고 그는 이 성공적인 실험이 경이롭다고 말했다.

대부분의 합성고분자는 해체되거나 사라질 수 없었다. 반면에, 그것들은 자동차와 비행기처럼 오래가는 물건에서 금속과 유리를 대체하기 시작했고 가능한 오랫동안 지속될 것을 의미했다.

합성고분자는 10년 후 매우 유명해지고 적용되었지만, 수십억 톤의 플라스틱 폐기물이 생겨 세계적으로 부담이 되었다. 환경 캠페인의 적인 빨대, 담배 필터, 커피 컵 뚜껑 등은 합성 고분자로 만들어진 일회용 플라스틱 제품이다. 지난 몇 십년동안, 소재와 제품 수명의 부조화로 인해 쓰레기 매립장과 자연 환경에 플라스틱 폐기물이 쌓였다. 일부는 해양으로 옮겨져 해양 생물들이 섭취하기도 했다. 몇몇 평가에 따르면 플라스틱의 경우, 10퍼센트만이 재활용 되는 것으로 나타났다.

유럽연합은 낚시 장비에서 면봉까지 다양한 품목의 생산을 차단하기 위하여 일회용 플라스틱을 금지할 것을 제안했다. 미국의 도시는 없어져야 하는 문화인 식료품 가방과 빨대를 포함한 플라스틱 사용을 금지하기 위해 노력중이다.

플라스틱 증가가 환경에 미치는 영향과 플라스틱의 대중성 감소는 내구성이 있어야하며 분해될 수 있어야 한다는 두 가지 요구에 응하여 새로운 물질을 만드는 것에 박차를 가해왔다. 과학자들은 자체 파괴가 가능한 플라스틱이나 고분자 연구를 진행 중이다.

파인버그는 그것이 두 가지의 전혀 다른 기준이라고 하였다. 파괴시키지 않고 강력한 플라스틱 금형을 만드는 것은 쉽지만 영원히 남아있어서는 안 된다는 조건은 쉽지 않다.

“정말로 혼란스러운 것은 그것을 사용할 때는 안정적이고 사용하지 않을 때는 불안정적이게 해야 된다는 것이다.” 미네소타 대학의 지속 가능한 폴리머 센터를 이끄는 마크 힐마이어가 말했다.

플라스틱 쓰레기 문제의 묘책은 아니지만, 자체 파괴가 가능한 플라스틱은 약물 운반, 자가 치유 물질, 심지어 전자 공학에서 새로운 응용을 가능하게 한다.

 

출발점은 본질적으로 불안정하고 부서지기 쉬운 특성 때문에 과거에 간과되었던 고분자를 추출해내는 것이다. 선택이 되면, 구성단위는 작은 분자로 남아있는 것이다. 과학자들은 그 분자들을 긴 체인으로 연결시키고 최종 고분자에 끌어 모은다.

이 고분자들을 분해하는 것은 때때로 해체시키는 것이라고 불리는데 고분자가 끌어 모으는 것을 멈추게 하면 고분자가 완전히 작은 분자로 돌아갈 때까지 구성단위가 잇따라 해체되기 때문이다.

일리노이 대학 지도교수 제프리 무어 박사는 “당신이 그것을 시작하자마자, 그것들은 계속해 나아갈 것이다.”라고 설명한다.

파인버그 박사의 고분자는 조정 가능한 체인이 아닌 원형의 고리에 갇힌다. 그것으로 고리는 안정적이다. 파인버그 박사는 자체 파괴 플라스틱에 노란 빛에 민감한 염료와 고분자를 섞었다. 플라스틱에 밝은 빛이 쏟아지면 염료 분자는 고분자에서 전자를 끌어낸다. 고리는 깨지고 고분자는 해체된다.

다른 과학자들은 긴 체인의 끝을 덮거나 체인을 네트워크로 연결하여 고분자를 끌어 들인다. 빛이나 산 같은 확실한 촉발제와 분리시키기 위한 고안을 통해 과학자들은 언제 어떻게 고분자를 해체시킬지 알 수 있다.

온타리오 주 웨스턴 대학의 고분자 화학자 엘리자베스 길리스는 “우리는 한 가지 일로 고분자의 특성을 변화시키거나 완전히 변질시킬 수 있다.”고 말했다.

이론에 따르면, 차세대 고분자는 플라스틱 물품과 관련된 오염 문제를 완화한다. 만약 구성단위를 새로운 분자를 만들기 위해 해체시킨 후 다시 모을 수 있다면 현재 시행되는 재활용은 단순히 플라스틱을 녹이고 형을 다시 잡는 것인 반면에 화학적인 재활용이 가능해진다.

“내 생각에 이것은 꽤 가능성이 있다. 문제는 비용을 줄이고 실용적이게 하는 것이다.”힐마이어 박사가 말했다.

경제적인 측면에서, 폴리에틸렌(식료품 가방), 폴리프로필렌(어망), 폴리테레 프탈레이트(일회용 병)와 같이 가장 널리 사용되는 고분자를 해체 가능 고분자로 교체하는 것의 실현 가능성은 낮다.

“플라스틱 포장은 그 무엇보다 비용이 적게 든다.” 길리스가 말했다.

힐마이어는 매트리스와 자동차 시트에서 쓰이는 폴리우레탄 발포 고무와 같은 고부가가치 소재에 중점을 두고 있다. 2016년 힐마이어와 그의 팀은 화학적으로 재활용이 가능한 고분자를 해체하는 것으로부터 폴루우레탄 네트워크에서 연결되는 폴리우레탄을 만들었다. 하지만 발포 고무는 실내 온도에서는 안정적이지만 화씨 400도 이상을 넘어가면 해체된다.

힐마이어는 화학적으로 재활용 가능한 물질을 사용하는 것은 실용적인데 특히 기업이 상품에 대한 책임감을 갖기 시작할 때 더욱 그렇다고 말했다. 그는 재활용 가능한 폴리우레탄을 상업화하기 위해 신생기업 발레리안 매테리얼을 공동으로 설립했다. 예를 들면, 차량 회사가 중고차를 회수하면 내부적인 화학 재활용 시스템을 통해 오래된 것을 새 것으로 만들 수 있다고 그가 말했다.

IBM 고분자 화학자 쟈네트 가르시아가“말 그대로 공급 원료를 회수하는 것이다.”라고 말했다.

고분자를 해체시키는 것은 접착효과를 사라지게 하는 것일 수도 있다. 그것은 포마이카 표면과 같은 복잡한 것 분리시키는 것을 도와준다. “우리는 합판, 합성물, 전자를 재활용하는 어려운 일을 한다.”보이시 주 대학 고분자 화학자 스콧 필립스가 말했다.

필립 박사와 한국 국립 전남 대학교 소속 김형우는 적은 양의 해체된 고분자의 비용을 낮추고 흔하게 사용하는 방법을 도입했다. 그 자체로 고분자는 끈적거리지 않지만 혼합되면 연결되며 접착력이 강해진다. 접착력을 없애기 위해 필립 박사와 김 박사는 미세한 두 유리면 가장자리에 불소를 놓았는데 그것들은 몇 분 이내에 분리되었다.

해체 가능 고분자와 재활용 할 수 있는 상품은 한 단계 앞으로 나아갔다. “오염은 물건이 재대로 모아지지 않아서 발생하며 무엇이든 제대로 분류되지 않으면 쓰레기가 되어버린다.”라고 플라스틱 재활용업자 연합을 이끌고 있는 스티브 알렉산더가 말한다.

핵심은 사용되지 않는 물건을 처리하기 위한 시설을 제대로 규정해야 한다는 것이라고 미시간 주 대학교 고분자 화학자 라마니 나라얀이 말한다.

그는 또한 생분해성 플라스틱은 자체 파괴 메커니즘이 있다고 말한다. 하지만 그것들은 잘못된 광고와 소비자들의 혼란으로 문제가 되어 왔다. 나라얀은 박사는 그의 스핀오프 회사 네쳐 태크에서 일회용품과 음식 포장에, 비료로 사용이 가능한 플라스틱을 이용하도록 노력하고 있다. 퇴비는 단순한 플라스틱 사용뿐만 아니라 음식물 쓰레기도 바꿀 수 있다.

그는 “비료로 사용 가능하다는 것으로 환경을 정의할 수 있다.”라고 말했다.

이러한 응용에서 구성단위는 안전하고 양호해야 한다. 잠재적인 후보는 글리옥실레이트라고 길리스 박사가 말한다. 글리옥실레이트는 토양 미생물에서 자연스럽게 생겨나는 분자다. 길리스 박사 팀은 글리옥실레이트 구성단위에서 해체 가능한 고분자를 만들었고 여러 상황에서 효율적으로 사용하기 위해 다른 캡을 두었다.

“우리는 일반적인 뼈대를 가지고 있으며 빛이 적거나 산소 비율이 낮은 환경에 이것이 다른 것에 반응하도록 캡만 바꾸면 된다.” 길리스 박사가 말한다.

무어 박사의 목표는 자체 회복을 할 수 있는 물질을 만드는 것이다. “우리는 물질이 손상을 스스로 회복하고 기능을 오랫동안 유지하기 바란다.” 

무어 박사는 대체된 고분자로 만들어진 아주 작은 캡슐을 회복 물질로 채우고 캡슐을 코팅하는 것을 상상한다. 아마 그것들은 빛에 반응할 거다. 예를 들어서 휴대 전화의 코팅에 금이 갔을 때 관통한 빛은 캡슐을 약화시킬 것이다. 그러면 회복 물질이 손상을 복구하기 위해 쏟아져 나올 것이고 코팅은 자동적으로 새 것처럼 좋아질 것이다. 우리는 이를 통해 새로운 기기의 수요를 줄일 수 있을 것이다.

차세대 고분자의 출현을 기다리는 동안 최근 상업용 플라스틱은 연간 4억 톤씩 배출되며 이것들은 쉽게 사라지지 않을 것이다.

“새로운 고분자를 고안하는 것은 더욱 중요해지고 필요해질 것이다.” 가르시아 박사가 말한다. 하지만 더 큰 문제는 남은 플라스틱 쓰레기의 고분자를 이상적으로 빌딩 블록을 통해 처리하는 것이다.

“이것은 엄청난 도전이다.”

 

주수빈 인턴기자  sustainability@sjournal.kr

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