Enhancement in the yield and properties of cellulose nanocrystals by two- batch addition of ammonium persulfate

나무는 복잡한 재료로, 셀룰로오스의 길고 강한 섬유가 리그닌이라 불리는 끈적하고 풀 같은 물질에 의해 결합되어 있는 천연 복합체입니다. 나무를 첨단 기술 분야에 유용하게 만들기 위해, 과학자들은 종종 이 순수한 셀룰로오스 섬유를 분리하고 이를 셀룰로오스 나노결정이라고 알려진 아주 작은 바늘 모양의 구조로 분해해야 합니다. 이 미세한 막대들은 믿기지 않을 정도로 강하고 가벼워서, 플라스틱을 보강하거나, 유연한 전자 제품을 만들거나, 의료 재료를 개선하는 데 매우 가치 있는 자원이 됩니다. 그러나 이들을 추출하는 것은 어렵습니다. 전통적으로 화학자들은 이 '풀'을 녹이고 섬유를 분리하기 위해 독한 산을 사용하지만, 이 과정은 위험하고 독성 폐기물을 생성하며, 종종 결정의 섬세한 구조를 파괴하기도 합니다. 더 부드러운 대안으로는 암모늄 퍼설페이트(ammonium persulfate)라는 화학 물질을 사용하는 것이 있는데, 이는 강한 산을 사용하거나 다른 천연 성분을 미리 제거할 필요 없이 셀룰로오스 물질을 분해하는 약한 산화제 역할을 합니다. 문제는 이 방법이 더 안전하지만, 역사적으로 효율성이 떨어져 결정의 수율이 낮고 형태와 크기가 일정하지 않았다는 점입니다.

난징 임업 대학교의 연구팀은 화학 물질을 투입하는 방식을 변경함으로써 이 효율성 문제를 해결하고자 했습니다. 목재 펄프에 암모늄 퍼설페이트 전체 양을 처음부터 한꺼번에 쏟아붓는 대신, 그들은 이를 두 단계로 나누어 투입하는 실험을 진행했습니다. 그들은 이 투입 시기와 양의 간단한 조정이 화학 물질이 분해되고 나무와 상호작용하는 방식을 근본적으로 변화시킨다는 것을 발견했습니다. 첫 번째 투입 후 4시간을 기다렸다가 두 번째 분량을 도입함으로써, 그들은 훨씬 더 효과적인 반응 환경을 조성했습니다. 이 2단계 접근 방식은 단순히 과정을 가속화했을 뿐만 아니라, 형성되는 결정의 본질 자체를 변화시켜, 다른 재료를 강화하는 데 더 적합하고 균일한 형태를 가진 훨씬 높은 수율의 물질을 만들어냈습니다.

연구진은 화학 물질이 한꺼번에 투입될 때 그것이 비교적 느리게 분해되며, 생성된 반응성 입자들이 나무 섬유에 완전히 침투하기도 전에 빠르게 소모되거나 서로 반응해 버린다는 것을 발견했습니다. 투입을 나누어 진행함으로써, 연구진은 10시간의 과정 동안 이러한 반응성 입자의 농도를 더 지속적이고 효과적으로 유지할 수 있었습니다. 이를 통해 화학 물질이 더 효율적으로 작용하여 나무를 나노결정으로 훨씬 더 빠른 속도로 분해할 수 있었습니다. 결과적으로 총 회수되는 물질의 양이 극적으로 증가했습니다. 가장 성공적인 실험에서, 나노결정의 총 수율은 약 42%에서 거의 58%까지 급증했으며, 이는 동일한 양의 목재 펄프로부터 훨씬 더 많은 사용 가능한 물질이 생산되었음을 의미합니다.

단순히 더 많은 결정을 만드는 것을 넘어, 2단계 방식은 우수한 물리적 특성을 가진 결정을 만들어냈습니다. 연구진은 개별 나노결정의 길이와 너비를 측정하였으며, 2단계 과정이 전통적인 1단계 방식보다 눈에 띄게 더 길고 가는 막대를 생성한다는 것을 발견했습니다. 이러한 형태의 변화는 매우 중요한데, 길고 가는 막대는 물체의 너비 대비 슬림한 정도를 나타내는 척도인 종횡비(aspect ratio)가 높기 때문입니다. 가장 좋은 경우, 결정의 길이는 100% 이상 증가했고, 종횡비는 140% 이상 향상되었습니다. 또한, 결정의 크기는 훨씬 더 일관되었습니다. 전통적인 방식에서는 결정의 길이와 너비가 매우 다양했지만, 2단계 방식은 거의 모든 결정이 크기가 거의 동일한 배치(batch)를 만들어냈습니다. 이러한 균일성은 최종 재료가 예측 가능하게 작동하도록 보장하므로 산업적 응용에 있어 필수적입니다.

이 새로운 결정들의 화학적 특성 또한 유망한 개선점을 보여주었습니다. 결정들은 높은 수준의 열적 안정성을 유지했는데, 이는 제조 과정에서 녹는 플라스틱에 혼합될 때 매우 중요한 요소입니다. 2단계 방식으로 만든 결정들은 전통적인 방식에 비해 내부 질서, 즉 결정성(crystallinity)이 약간 낮았지만, 이것이 성능을 해치지는 않았습니다. 사실, 이것이 도움이 되었을 수도 있습니다. 연구진이 이 새로운 결정들을 흔히 쓰이는 플라스틱의 일종인 폴리비닐 알코올 필름에 혼합했을 때, 결과는 놀라웠습니다. 필름은 현저히 더 강하고 단단해졌습니다. 가장 인상적인 점은, 이 필м이 훨씬 더 질겨졌다는 것인데, 즉 깨지기 전에 더 많은 에너지를 흡수할 수 있게 되었다는 것입니다. 가장 뛰어난 성능을 보인 결정들, 즉 2단계 방식으로 만들어진 결정들은 단 1%라는 매우 낮은 농도로 첨가되었음에도 불구하고 플라스틱 필름의 강도를 70% 이상, 인성(toughness)을 거의 80%까지 높였습니다.

이 연구는 화학 물질이 반응에 투입되는 방식이 화학 물질 그 자체만큼이나 중요하다는 것을 보여줍니다. 암모늄 퍼설페이트를 두 번에 나누어 투입하는 것만으로도, 연구진은 목재 펄스가 더 많은 물질, 더 나은 형태, 크기 및 강도를 산출하도록 유도할 수 있었습니다. 이러한 결과는 이 방법이 고품질의 셀룰로오스 나노결정 생산을 더 효율적이고 비용 효율적으로 만들어, 더 강한 포장재부터 첨단 의료 기기에 이르기까지 지속 가능한 목재 기반 재료의 폭넓은 사용을 가능하게 할 것임을 시사합니다. 이 작업은 화학 반응의 타이밍을 세심하게 조정하는 것이 최종 제품의 품질과 양을 모두 크게 향상시킬 수 있음을 확인시켜 줍니다.