나일론으로 만들어진 “나노멤브레인(nanomembrane)” 시트는 얽힌 거미줄과 유사하다. 섬유 표면 위의 매우 작은 철 산화물 입자들은 물속의 독성 화학물질을 정화시키는데 도움을 줄 수 있지만, 이런 입자들이 섬유와 분리된다면, 그들 자체가 위험 요인이 될 수 있다. 코넬대학(Cornell University)의 연구진은 이런 입자들이 방출되는지를 관찰하기 위해서 나노크기 철 산화물 입자들이 포집된 특별한 나일론 시트를 제조했다.

입자들은 박테리아와 바이러스를 수집하고 물 속의 화학물질 또는 염료를 추출하기 위해서 자석처럼 작용한다. 이런 입자들을 가진 멤브레인들은 산업 폐기물에서 화학물질과 염료를 제거하는 필터 또는 물 오염 정도를 검사하는 장치에 사용될 수 있다. 그러나 효과적이고 안전하게 사용하기 위해서, 입자들은 멤브레인 위에 머물려 있어야 있다. 이 연구는 용액 속에서 pH 값이 변할 때 나일론 멤브레인의 나노입자 처리 균일성과 입자 보유 능력을 평가했다.

“이것은 인간 건강과 환경 문제를 줄이기 위해서 섬유 위의 입자 보존 및 안정성을 평가하는데 중요하다”고 Nidia Trejo가 말했다. 이 연구결과는 Journal of Applied Polymer Science에 “A comparative study on electrosprayed, layer-by-layer, and chemically grafted nanomembranes loaded with iron oxide nanoparticles”라는 제목으로 게재되었다.

나노멤브레인 시트의 구조는 드라이어(dryer) 시트처럼 보이지만, 전자 현미경으로 관찰하면 매우 작은 무작위로 배향된 섬유 층으로 구성되어 있다. 이런 나노멤브레인은 높은 표면 대 부피 비율을 가지고 있고, 이것은 재료의 기능을 향상시킨다. 제조 방법은 멤브레인이 사용되는 액체 환경에 따라서 달라진다. 나일론 섬유에 철 산화물 나노입자를 부착시키는 방법에는 전기분사(섬유 속에 나노입자 위치를 균일하게 하는데 용이함), 적층식 조립(입자가 섬유 위에 정전기적으로 코팅됨), 화학적 결합 이렇게 3가지가 존재한다.

“멤브레인의 경우 입자 보존 및 안정성을 평가하는데 중요하다”고 Treio가 설명했다. “당신은 재료가 사용 기간 동안에 잘 작동하도록 Nylon 6 멤브레인 위에 나노입자가 머물기를 원할 것이다. 재료가 폐수 처리 분야에 사용된다면, 나노입자가 멤브레인에서 방출됨으로써 오염물질이 되기를 원하지 않을 것”이라고 Treio가 말했다. 

연구진은 독성 화학물질과 병원균을 수집할 수 있도록 머리카락보다 수백 배 더 얇은 섬유를 만들었다. 이 섬유는 농약의 확산을 방지하고 액체 속의 독성 물질을 수집하기 위해서 디자인되었다. 매우 작고 복잡한 장치들은 금과 같은 비용이 많이 드는 재료와 고가의 장치를 사용하는 하이테크 클린 룸(clean room)에서 일반적으로 만들어진다. 그러나 이번 연구진은 저렴하고 확장 가능한 프로세스인 전기방사 방법을 사용해서 클린 룸 외부에서 나노섬유를 만드는데 성공했다.

나노섬유를 사용하는 이 프로세스(샘플을 정화하고, 구성성분을 혼합하고, 박테리아를 수집하는 것)는 카드 한 개 크기를 가진 재료로 수행될 수 있다. 섬유는 대장균, 콜레라 독소, 발암 물질을 집중적으로 수집하고 검출 정밀도를 향상시킬 수 있는 빠르고 쉽고 저렴한 방법이다. 결국, 이러한 섬유들은 간단한 임신 테스트로서 사용될 수 있고, 특별한 장치를 필요로 하지 않는 질병 진단에 유용할 것이다.

이번 연구진은 농약이 환경에 해로운 영향을 끼치지 않도록 생분해성 나노섬유 속에 살충제를 캡슐화시켰다. 이런 전달 시스템은 셀룰로오스, 농약, 폴리락트산(polylactic acid)을 이용해서 전기방사 방법으로 만들어졌다. 이 재료는 생분해성을 가지고 재생가능하다. “화학물질은 보호되어서 공기와 물에 노출될 때 분해되지 않는다”고 Frey가 말했다. “질병을 빠르게 검출하고 농약 방출을 방지함으로써, 이런 나노섬유는 생명을 구하는데 매우 유용하게 적용될 수 있을 것”이라고 Frey가 덧붙였다.

그림. 나노멤브레인 시트를 가진 Nylon-6 섬유의 현미경 이미지.

 

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 8월 17일]

 

Microscopically, “nanomembrane” sheets made from nylon resemble a tangled web. The tiny iron oxide particles on the fiber surfaces can help clean toxic chemicals from water, but if the particles get separated from the web, they can become hazards themselves.

In a new study, Cornell researchers examined these special nylon sheets – replete with applied nanoscale iron oxide particles – to see if the particles wash loose.

The particles work like magnets to capture bacteria and viruses, and to extract chemicals or dye molecules out of water. Membranes with these particles attached could be used in devices to detect water contamination or in filters to remove chemicals or dyes from industrial waste. However, to be effective and safe, the particles need to stay on the membrane. The study evaluated the nanoparticle treatment uniformity and particle retention of the nylon membranes as they were processed (or washed) in solutions of varying pH levels.

“It’s critical to evaluate particle retention and stability on fibers to reduce human health and environmental concerns,” said Nidia Trejo, a Cornell doctoral student in the field of fiber science. Trejo, who with Margaret Frey, professor of fiber science, authored the study, “A comparative study on electrosprayed, layer-by-layer, and chemically grafted nanomembranes loaded with iron oxide nanoparticles,” in the Journal of Applied Polymer Science.

The nanomembrane sheet structure looks like a dryer sheet but is made from layers of tiny, randomly oriented fibers that only can be seen with electron microscopes. These nanomembranes have a high surface-to-volume ratio, which enhances the material’s function.

Manufacturing methods vary depending on the liquid environments in which the membranes would be used. Adhering nanoparticles of iron oxide to nylon fiber is done in three ways: electrospraying, which facilitates uniform nanoparticle placement in the fibers; layer-by-layer assembly, where particles are coated on the fiber electrostatically; or chemical bonding.

“For the membrane, it’s important to evaluate particle retention and stability,” Trejo explained. “You would want the nanoparticles to stay on the Nylon 6 membranes so the material can have function throughout the life use. If the material is used for wastewater treatment applications, you wouldn’t want the particles themselves to become pollutants if are they releasing from the membranes and into the water.”

A range of state-of-the-art facilities on campus was used by the researchers. The Cornell Center for Materials Research (funded through the National Science Foundation’s Materials Research Science and Engineering Center program) supported this study through its shared facilities. Additionally, Cornell’s Nanobiotechnology Center and the Cornell Nutrient Analysis Laboratory supported this research.

Researchers in professor Margaret Frey’s lab create fibers hundreds of times thinner than a human hair that can capture toxic chemicals and pathogens. The fibers have been designed and combined to prevent the spread of agricultural chemicals and to capture toxic substances in liquids.

Tiny, complex devices traditionally are made in high-tech clean rooms using expensive equipment and costly material, like gold. Frey and her colleagues are replacing that cost by making the devices with nanofibers from plastics, outside the clean room, using an inexpensive, scalable process: electrospinning.

Using nanofibers, processes done in a medical testing lab – for example, purifying samples, mixing ingredients, capturing bacteria – can be done with material about the size of a deck of cards. The fibers are a fast, easy and inexpensive way to concentrate on E. coli, cholera toxin or carcinogens and to improve accuracy of detection. Eventually, these fibers will be part of devices as inexpensive and easy to use as home pregnancy tests and will diagnose diseases without requiring specialized laboratories – particularly useful in regions with limited access to doctors and hospitals.

To prevent pesticides from harming the environment, Frey and her students have encapsulated pesticides into biodegradable nanofibers. This keeps them intact until needed or makes sure they do not wash away from the plants they protect. The delivery system is created by electrospinning solutions of cellulose, the pesticide and polylactic acid – a polymer derived from corn.

The materials are biodegradable and derived from renewable resources. “The chemical is protected, so it won’t degrade from being exposed to air and water,” Frey said, explaining that this keeps the chemical where it needs to be and allows it to time-release. “By allowing rapid detection of disease and preventing agricultural chemical release into the environment, these nanofibers just might save a life,” she said.

[원문출처 : http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=41045.php]