Micro/Nanoplastic Formation by Polymer Processing

우리의 바다와 강을 오염시키는 아주 작고 눈에 보이지 않는 플라스틱 입자들이 단순히 햇빛에 의해 오래된 병이 부서지거나 도로 위의 타이어가 마모되어 생겨나는 결과물만이 아닌 세상을 상상해 보십시오. 오랫동안 과학자들은 이 "미세플라스틱"과 "나노플라스틱"—모래 한 알이나 심지어 사람의 머리카락보다 더 작은 조각들—이 주로 우리가 플라스틱을 구매한 후에 풍화와 마모를 통해 생성된다고 생각했습니다. 하지만 만약 플라스틱을 만드는 행위 자체가 이 작은 침입자들을 비밀리에 탄생시키고 있다면 어떨까요? 이 논문은 그 미스터리를 파헤치며, 원료 화학 물질을 우리가 매일 사용하는 플라스틱으로 바꾸는 기계 내부의 숨겨진 공장을 탐구합니다. 이 이야기를 이해하려면 두 가지를 알아야 합니다. 첫째, 플라스틱을 녹여 기계로 짜내는 과정(압출이라고 불리는 공정)에서 플라스틱은 뜨거워지고 스트레스를 받으며, 이로 인해 긴 분자 사슬이 더 짧고 끊어진 조각들로 부서질 수 있다는 것입니다. 둘째, 자연은 서로 어울리지 않는 것들이 섞이는 것을 싫어합니다. 기름과 물을 섞으면 분리되는 것처럼 말이죠. 연구진은 이 부서지고 "병든" 플라스틱 사슬들이 마치 기름처럼 행동하여, 건강한 플라스틱과 섞이기를 거부하고 대신 자신들만의 작고 약한 섬을 형성하여 결국 떨어져 나가는 것이 아닌지 의문을 가졌습니다.

컬럼비아 대학교와 다른 기관들의 연구팀은 대담한 아이디어를 테스트하기로 했습니다. 바로 플라스틱을 정기적으로 녹이고 모양을 만드는 과정이, 플라스틱이 환경에 닿기도 전부터 이미 주요한 미세플라스틱 오염원이 된다는 것입니다. 그들은 단순히 추측만 한 것이 아니라, 식료품용 비닐봉지부터 전자제품의 단단한 케이스에 이르기까지 여섯 가지 다른 종류의 플라스틱을 직접 만들어 산업용 스타일의 용융 기계에 통과시켰습니다. 갓 녹인 플라스틱을 물로 씻었을 때, 물은 투명하게 유지되지 않았습니다. 대신, 물은 미세한 입자들로 인해 흐려졌습니다. 이 물을 건조함으로써, 그들은 미세플라스틱으로 이루어진 흰색 가루를 수집했습니다. 그들은 단 5분의 공정만으로도 플라스틱이 이러한 입자들을 배출한다는 것을 발견했습니다. 실제로, 15분 동안 길게 가동했을 때 전체 플라스 lack 질량의 약 1%가 이 작은 파편들로 변했습니다. 이것이 작게 들릴 수도 있겠지만, 수 톤의 플라스틱을 생산하는 공장에서는 그 자체로 엄청난 양의 오염이 발생 지점에서 바로 생성되고 있는 것입니다.

이것이 왜 일어나는지 알아내기 위해, 팀은 입자들을 추적하며 탐정 놀이를 했습니다. 그들은 강력한 현미경으로 입자들을 관찰했고, 그것들이 들쭉날절하고 기이한 모양이며 원래의 플라스틱보다 훨씬 작다는 것을 발견했습니다. 결정적으로, 그들은 이 작은 입자들이 화학적으로 다르다는 것을 발견했습니다. 즉, 이들은 "산화"되었는데, 이는 뜨거운 용융 과정 중에 산소 원자를 흡수하여 짧고 부서진 상태가 되었음을 의미합니다. 건강하고 긴 플라스�틱 사슬들은 이 짧고 산화된 사슬들과 함께 어울리기를 원치 않았습니다. 이것은 마치 커다란 친절한 개와 아주 작은 까칠한 햄스터를 섞으려는 것과 같습니다. 결국, 햄스터는 가장자리로 밀려나게 됩니다. 과학자들은 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 이 드라마가 어떻게 전개되는지 관찰했습니다. 그들은 플라스틱이 냉각될 때, 이 짧고 산화된 사슬들이 표면으로 이동하여 약한 껍질을 형성하는 것을 보았습니다. 플라스-틱을 다루거나 세척할 때, 이 약한 껍질이 조각나서 떨어져 나가 미세플라스틱을 만들어냅니다.

연구팀은 또한 컴퓨터 모델을 사용하여 플라스틱이 냉각되는 방식이 중요한지를 확인하기 위해 "만약에"라는 시나리오를 테스트했습니다. 그들은 플라스틱이 천천히 식으면, 짧고 산화된 사슬들이 표면까지 이동할 시간이 생겨서 두꺼운 약한 층을 만든다는 것을 발견했습니다. 하지만 매우 빠르게 식히면, 그 사슬들은 중간에 갇힌 채 내부에 머물게 됩니다. 이는 냉각 속도가 얼마나 많은 오염을 만들어내는지 결정한다는 것을 시사합니다. 그들은 심지어 그 약한 외부 피부를 벗겨냄으로써 플라스틱을 "치유"하는 시도도 했습니다. 그렇게 했을 때 남은 플라스틱은 훨씬 더 강하고 튼튼했는데, 이는 오염이 단순히 무작위적인 사고가 아니라 외부에 위치한 특정한 약한 층이라는 것을 증명했습니다.

이 발견은 플라스틱 오염의 이야기를 바꿉니다. 오염은 단지 쓰레기를 버리거나 오래된 쓰레기가 분해되는 것만이 아닙니다. 오염은 플라스틱이 만들어지는 순간부터 시작됩니다. 이 논문은 이것이 단순히 플라스틱에 혼합된 첨가제(색소나 연화제 등)에 의해 발생하는 것이 아니라는 점을 밝혀냈으며, 순수한 플라스틱조차도 이런 현상을 일으킨다는 것을 보여주었습니다. 또한, 우리가 흔히 생각하는 재활용 방식—새로운 것을 만들기 위해 플라스틱을 다시 녹이는 것—이 재료를 다시 녹일 때마다 이러한 작은 부서진 사슬들을 더 많이 만들어냄으로써 문제를 악화시킬 수 있다는 점을 시사합니다. 연구 저자들은 아직 마법 같은 해결책을 제시하지는 않았지만, 새로운 경로를 제시하고 있습니다. 만약 우리가 플라스틱 사슬이 애초에 부서지는 것을 막거나, 혹은 그 약한 부분들이 내부에 갇히도록 냉각 방식을 제어할 수 있다면, 우리는 이 오염이 공장 바닥을 떠나기도 전에 막을 수 있을지도 모릅니다. 저자들은 이것이 실험과 시뮬레이션에 의해 뒷받침되는, 그들이 새로 밝혀낸 경로임을 신중하게 언급하고 있지만, 이는 더 깨끗한 플라스틱을 향한 여정이 우리가 생각했던 것보다 훨씬 더 일찍 시작되어야 한다는 명확한 신호입니다.