Multiscale mechanical performance of plant-based and hybrid yarns for biodegradable fishing Net
본 연구는 재료의 성능 순위가 실, 매듭, 그물 규모에 따라 변화하지만, 특정 식물 기반 및 하이브리드 섬유 시스템(특히 PALF/PALF)이 기존 폴리에스터와 비교하여 저잔류성, 생분해성 어망 개발을 위한 유망한 기계적 경쟁력을 제공한다는 것을 입증한다.
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현재 바다는 버려진 어구라는 조용하고도 끈질긴 형태의 오염으로 인해 질식해가고 있습니다. 그물, 통발, 낚싯줄 등이 바다에 유실되면 단순히 사라지는 것이 아닙니다. 대신, 그것들은 수년간 표류하며 '유령 어업(ghost fishing)'이라 불리는 현상을 통해 물고기, 거북이, 바닷새들을 계속해서 가두게 됩니다. 수십 년 동안 이 문제의 해결책은 면이나 황마 같은 천연 섬유를 나일론이나 폴리에스터와 같은 합성 플라스틱으로 대체하는 것이었습니다. 이러한 인공 소재는 믿을 수 없을 정도로 강하고 잘 썩지 않는데, 이는 어부의 그물에는 매우 유용하지만, 유실되었을 때는 환경에 재앙이 됩니다. 이 소재들의 바로 그 내구성은 사용하기에는 매우 유용하지만, 동시에 수 세기 동안 바다에 남아 미세 플라스틱으로 분해되며 해양 생물을 지속적으로 해치게 만듭니다. 과학자들은 현재 중도적인 대안을 찾고 있습니다. 즉, 물고기를 잡을 만큼 충분히 강하면서도, 유실되었을 때 사라질 수 있을 만큼 생분해 가능한 소재를 찾는 것입니다. 과제는 플라스틱의 강도를 따라갈 수 있으면서도 사용 중에 너무 빨리 삭아버리지 않는 식물 기반의 섬유를 찾아내는 데 있습니다.
홍콩 과학기술대학교의 연구팀은 식물 섬유로 만든 그물을 제작하고 파괴하는 실험을 통해 이 아이디어를 테스트하기 위해 나섰습니다. 그들은 두 가지 특정 천연 재료, 즉 과일 산업의 부산물인 파인애플 잎 섬유와 전통적인 직물 작물인 황마에 집중했습니다. 이 재료들이 실제 환경에서 어떻게 견뎌낼지 확인하기 위해, 연구진은 단순히 실 한 가닥만을 테스트하지 않았습니다. 대신, 단순하게 꼬인 실(yarn)에서부터 매듭이 있는 부분, 그리고 최종적인 그물 판(net panel)에 이르기까지 세 가지 다른 복잡성 단계에서 재료를 조사했습니다. 그들은 이 식물 기반의 옵션들을 표준 폴리에스터 및 두 소재의 혼합물과 비교했습니다. 목표는 섬유가 꼬이고, 매듭지어지고, 그물로 짜였을 때 강도가 어떻게 변하는지를 이해하는 것이었습니다. 왜냐하면 테이블 위에서는 강한 재료가 장력을 받는 복잡한 구조의 일부가 되었을 때는 매우 다르게 행동할 수 있기 때문입니다.
연구진은 이 섬유들을 꼬아서 두 가닥의 꼬임사(two-ply yarns)를 만들기 시작했으며, 재료가 가장 강해지는 최적의 지점을 찾기 위해 다양한 꼬임 강도에서 테스트를 진행했습니다. 그들은 섬유가 얼마나 단단하게 꼬였는지와 강도 사이의 관계가 모든 재료에 대해 동일하지 않다는 것을 발견했습니다. 파인애플 잎 섬유의 경우, 특정 중간 수준까지 꼬았을 때 실이 눈에 띄게 강해졌으나, 너무 단단하게 꼬면 오히려 더 약해졌습니다. 반면, 폴리에스터 사(yarn)는 꼬임이 증가함에 따라 단순히 더 잘 늘어나는 특성을 보였습니다. 데이터를 분석한 결과, 연구팀은 모든 테스트 대상 재료에 대해 가장 우수한 강도와 유연성의 균형을 제공하는 특정 꼬임 수준을 결정했으며, 이를 그물을 만드는 데 이상적인 조건으로 삼았습니다. 또한, 섬유가 해수에 어떻게 부식되는지 확인하기 위해 해수에 노로 노출시켰습니다. 결과는 극명했습니다. 폴리에스터는 거의 변화가 없었던 반면, 황마와 파인애플 섬유는 균열과 표면 벗겨짐을 포함한 가시적인 마모 징후를 보였으며, 이는 식물 재료가 실제로 해양 환경에 취약하다는 것을 확인시켜 주었습니다.
다음으로, 연구팀은 그물의 가장 결정적인 실패 지점인 매듭으로 넘어갔습니다. 그물이 당겨질 때 매듭은 조여지며 힘을 온전히 받게 됩니다. 연구진은 어업에서 표준적으로 사용되는 더블 위버스 매듭(double weaver's knots)을 묶고, 이것이 끊어질 때까지 잡아당겼습니다. 여기서 재료의 성능은 놀라운 방식으로 변화했습니다. 순수 파인애플 섬유사는 끊어지기 전까지 가장 높은 절대 하중을 견뎌냈으며, 심지어 이 특정 테스트에서는 폴리에스터를 능가했습니다. 그러나 폴리에스터 기반의 혼합물들은 매듭을 묶은 후 원래의 강도를 유지하는 데 더 뛰어났습니다. 순수 황마사는 매듭을 묶은 후 강도의 절반 이상을 잃으며 가장 낮은 성능을 보였습니다. 이 발견은 중요한 교훈을 주었습니다. 즉, 독자적으로는 강한 재료가 반드시 강한 매듭을 만드는 것은 아니라는 점입니다. 파인애플 섬유의 거친 표면은 매듭 안에서 서로를 단단하게 움켜쥐도록 도와주어, 구조가 즉시 끊어지지 않고 재배치되며 조여질 수 있게 한 반면, 매끄러운 황마 섬유는 미끄러지며 더 일찍 실패했습니다.
마지막으로, 연구진은 이 실들을 작은 그물 판으로 조립하여 전체 구조가 하중 하에서 어떻게 작동하는지 관찰했습니다. 그들은 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 구멍이 작은 그물과 구멍이 큰 그물을 비교하였고, 구멍이 큰 그물이 일반적으로 응력을 더 고르게 분산시키며 파손 전까지 더 많은 무게를 견딜 수 있다는 것을 발견했습니다. 물리적인 그물을 테스트했을 때, 순수 파인애플 섬유 그물이 가장 견고한 것으로 나타났으며, 끊어지기 전까지 가장 높은 힘을 견뎌냈습니다. 이 그물은 하중을 전체 그물로 늘리고 재분배하여 단일 지점이 너무 빨리 파손되는 것을 방지할 수 있었습니다. 폴리에스터 그물 역시 매우 강했지만, 한계점에 약간 더 빨리 도달했습니다. 황마 그물은 매우 균일한 신축 패턴을 보였음에도 불구하고 훨씬 낮은 무게에서 실패했습니다. 연구는 폴리에스터가 내구성과 신축성의 기준점으로 남아 있지만, 완전한 식물 기반의 파인애플 섬유 시스템이 기계적으로 경쟁력 있는 대안이 될 수 있음을 결론지었습니다. 이는 적절한 설계가 뒷받침된다면, 어구가 재생 가능한 자원으로 만들어져서, 작업에는 충분히 강하면서도 바다에 유실되었을 때는 부드럽게 사라질 수 있어, 해양의 플라스틱 부담을 줄이는 유망한 길을 제시할 수 있음을 시사합니다.
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