마이크로모터를 이용해서 매우 작은 크기의 물 저장 탱크나 모세관처럼 접근이 용이하지 않은 곳에 오염을 제거할 수 있는 수질 정화 기술이 독일 연구진에 의해 개발되었다.

 

이 기술은 아직 대규모 환경복원에 적용할 수 있는 수준이 아니지만 기술적 발전 가능성이 충분해 앞으로의 귀추가 주목된다.

마이크로 또는 나노모터기술은 나노기술분야 중에서도 관심이 집중되고 있는 분야다. 마이크로모터 기술이 큰 관심을 불러 모으고 있는 이유는 다양한 응용이 가능하기 때문이다.

 

마이크로모터는 외부 동력 공급 없이 주변에 있는 물질을 추진력을 만들어 내는데 사용해서 움직이는 모터로 바이오센서, 약물 수송체, 마이크로 수준의 유체 펌핑(fluid pumping) 등에 활용 가능성이 매우 높다.

마이크로모터는 매우 다양한 형태로 개발되고 있지만 특별히 주목 받고 있는 형태는 촉매 나노와이어형과 구형 야누스 나노입자형(Janus nanoparticle; GTB2013100294) 그리고 촉매를 장착해 스스로 추진력을 만들어 움직이는 튜브형(microtube engine)이다.

 

독일 라이프니츠 연구소 고체상재료 연구단(Leibniz Institute for Solid State and Materials Research; IFW) 사무엘 산체스(Samuel Sanchez) 연구진이 이번에 새롭게 개발한 마이크로모터는 튜브형으로, 응용 사례가 꾸준히 증가하고 있는 추세다.

 

가장 최근의 예로는 미국 캘리포니아대학(University of California, San Diego) 조셉 왕(Joseph Wang) 교수가 튜브형 마이크로모터를 화학무기 폐기에 활용한 예가 있다.(GTB2013110106)

일부 연구 그룹의 경우 촉매형 나노모터를 바이오의학적 영역에 응용하려고 시도했었다. 하지만 모터를 움직이는데 필요한 연료 물질의 독성 때문에 이러한 시도는 부분적인 성공을 거뒀을 뿐이다.

 

산체스 연구진은 이러한 경험을 바탕으로 마이크로모터를 움직이는 연료 물질의 독성에 영향을 받지 않는 환경복원과 오염제거 분야에 도전했다.

비슷한 예로 조셉 왕 교수 연구진이 최근에 공개한 마이크로모터를 이용한 기름방울 제거기술은 기름유출에 의한 환경오염에 마이크로모터 기술을 적용한 예이다.

 

조셉 왕 교수의 튜브형 마이크로모터 내부에 촉매가 위치해 있다. 마이크로모터 외부는 고분자 소재로 감싸서 보호막 역할을 하도록 했다.

 

마이크로모터 내부에 위치한 백금 촉매는 과산화수소와 반응해서 산소 방울을 발생시켜서 추진력을 만들어낸다. 조셉 왕 교수는 주로 추진력에 의해 마이크로모터가 만들어내는 빠른 움직임을 기술에 응용하고 있다.

산체스 연구진은 튜브형 마이크로모터 기술을 한 단계 더 발전시켰다. 마이크로모터 내부와 외부에 기능성을 부여해 이들의 시너지 효과를 이끌어낸 것이다.

 

조셉 왕 교수의 마이크로모터의 경우, 모터 내부에만 촉매가 위치한다. 그런데 산체스 연구진이 개발한 마이크로모터는 모터 외부에도 촉매를 장착했다.

 

이를 통해 수중 유기오염물질을 분해하는 기능을 구현했다. 산체스 연구진의 마이크로모터는 내부에 장착된 백금 촉매로 빠른 움직임을 만들어냄과 동시에 모터 외부에 장착된 철 기반 촉매를 이용해 유기오염물질을 분해한다.

 

즉, 마이크로모터의 강력한 혼합 효과와 분해 반응 효과를 절묘하게 접목시켜서 상승 효과를 이끌어냈다.

백금촉매는 과산화수소를 물과 산소 방울로 분해해서 추진력을 만들어내고, 외부에 장착되어 있는 촉매로는 펜톤반응(Fenton reaction)을 일으켜서 수중 유기오염물질을 파괴한다.

 

펜톤반응은 철 2가 양이온(Fe2+)이 과산화수소와 반응해서 만들어지는 히드록시 라디칼(hydroxy radical)의 반응성을 이용해서 유기물질에 산화성 분해반응을 일으키는 방식으로 유기오염물 제거에 매우 유용한 반응이다.

 

연구진은 마이크로모터의 유기오염물질 분해 속도를 측정하기 위해 유기오염물질 모델로 로다민 6G(rhodamine 6G)라는 물질을 사용했다. 측정 결과는 매우 놀라웠다. 마이크로모터를 사용하면 펜톤 산화반응 속도가 12배 이상 증가했다.

산체스 연구진의 마이크로모터가 다기능 촉매효과를 나타낼 수 있는 비밀은 구조에 있었다. 철로 마이크로모터의 본체를 제작한 후 내부에 백금 촉매층을 20~200 나노미터 두께로 입혔다.

 

마이크로모터 내부는 과산화수소와 반응해서 추진력을 만들어내고, 마이크로모터의 외부는 산성 용액에 의해 서서히 부식되면서 철 이온을 외부로 자연스럽게 방출해서 펜톤 반응을 일으키도록 설계된 것이다.

산체스 연구진은 새로운 마이크로모터 설계 방식이 효과적으로 작동함을 증명하는데 성공했다. 하지만 이를 산업 폐수나 환경 복원 목적에 활용할 수 있도록 발전시켜야 하는 것은 아직 해결해야 할 과제로 남아 있다.

 

[출처 : KISTI 미리안(http://mirian.kisti.re.kr) 『글로벌동향브리핑(GTB)』2013. 12. 13]

 

 

 

 

 

Researchers in Germany have invented micromotors that can propel themselves through water while degrading organic pollutants. The micromotors, which run on dilute hydrogen peroxide, could be used to clean up small reservoirs, pipes and other hard to reach places.

 

 

Organic pollutants are found in many industrial wastewaters, including those of textile companies, pharmaceutical companies and agriculture. They are an increasing problem, because they are often resistant to environmental degradation and cannot be processed with conventional biological or chemical water treatments.

 

Micromotors could help. Last year, building on previous uses of micromotors as on-chip biosensors and cell transporters, Joseph Wang, at the University of California, San Diego in the US, and colleagues developed self-propelled micromotors that could capture oil droplets – thereby offering a means to clean up small oil spills.

 

Only now, however, have micromotors been used to actually degrade pollutants. ‘This study indicates the great potential of micromotors for environmental monitoring and remediation,’ says Wang.

 

Developed by Samuel Sanchez and colleagues at the Max Planck Institute for Intelligent Systems and at the Leibniz Institute for Solid State and Materials Research the latest micromotors consist of a tubular core of platinum that is surrounded by iron.

 

Releasing them into polluted water containing dilute hydrogen peroxide results in the motors’ platinum cores converting the peroxide into oxygen bubbles and the surrounding iron produces hydroxyl radicals. The bubbles propel the micromotors along, while the hydroxyl radicals oxidise organic pollutants.

 

Two experts in micromotors, Ayusman Sen at Penn State University in the US and Martin Pumera at Nanyang Technological University in Singapore, both say that the big advantage of the micromotors is their self-propulsion, which speeds up reaction rates and, therefore, quickly degrades pollutants.

 

‘The [hydroxyl radicals] can reach the target pollutant molecules much faster than would be possible by simple diffusion,’ says Pumera.

 

The micromotors would probably not be able to remediate ‘huge amounts’ of waste water, says Sanchez. ‘We aim to clean contaminated capillaries, small pipes and places difficult to reach,’ he adds. ‘We are dealing with applications especially for the microscale and environments hard to get to.’

 

Li Zhang at the Chinese University of Hong Kong says the results are ‘striking’, and hold promise for environmental applications. ‘To date, though several research groups have been working on micromotors, they have mainly put great efforts on biological and biomedical applications,’ he says.

 

‘It is apparent that for industrial application, such as wastewater treatment, this process needs to be further scaled-up and the micromotors require multi-functionality. I think it is worth doing those trials and continuing this research topic.’

 

 

[원문출저 : http://www.rsc.org/chemistryworld/2013/12/micromotors-clean-polluted-water]