[미국] 소형 탄소포획 모터를 이용한 해양 이산화탄소 오염의 정화
 언젠가는 인간 머리카락의 두께보다 훨씬 작은 기계가 해양에서 이산화탄소 오염을 정화하는데 사용될 것으로 예상된다. 캘리포니아대학(University of California, San Diego) 나노공학자들은, 물 속에서 빠르게 이산화탄소를 포획하고 이것을 유용한 고체 형태로 변환시킬 수 있는 효소로 기능화된 마이크로모터(enzyme-functionalized micromotors)를 개발하였다.
개념증명적 성격의 본 연구에서는 대기 중 주요한 온실가스인 이산화탄소의 축적을 완화시킬 수 있는 유망한 방법을 소개하고 있다. 저명한 나노공학 교수인 Joseph Wang이 이끄는 본 연구결과는 이번 달 Angewandte Chemie ("Micromotor-Based Biomimetic Carbon Dioxide Sequestration: Towards Mobile Microscrubbers")지에 게재되었다.
연구팀은 지구 온난화 및 해양의 산성화에 대적하는데 이런 마이크로모터의 사용가능성에 매우 고무되어 있다고, 본 연구의 공동저자이자 Wang 교수의 연구팀에서 박사후 과학자로 근무하고 있는 Virendra V. Singh는 밝혔다.
실험에서, 나노공학자들은 마이크로모터가 이산화탄소로 포화된 수용액에서 빠르게 이산화탄소를 제거한다는 사실을 보여주었다. 5분 내에, 이 마이크로모터는 탈이온수(deionized water) 용액에서 이산화탄소를 90% 제거하는데 성공하였다. 마이크로모터는 바닷물에서의 유사하고 효과성을 나타냈으며, 동일한 시간에 이산화탄소를 88% 제거하였다.
본 연구의 공동저자이자 Wang 교수의 실험실에서 학부생 연구원으로 근무하는 Kevin Kaufmann은, 향후 연구팀은 잠재적으로 이 마이크로모터를 탈탄소화 공장(water decarbonation plant)과 같은 수처리 시스템의 일부로 활용할 수 있을 것으로 기대할 수 있을 것이라고 밝혔다.
마이크로모터는 이산화탄소를 달걀 껍질, 다양한 해양 유기체의 껍질 및 칼슘 보충제나 시멘트에서 발견되는 고체 미네랄 성분인 탄산칼슘(calcium carbonate)으로 빠르게 전환하기 위해서는 6마이크로미터 길이의 튜브 형태를 가져야 한다. 마이크로모터는 외부에 고분자 표면을 가지는데 이곳에 탄산무수화효소(carbonic anhydrase)가 부착되어 있다. 탄산무수화효소는 이산화탄소와 물이 반응하여 중탄산염(bicarbonate)이 형성되는 반응을 가속화한다. 수용액에 첨가된 염화칼슘(calcium chloride)은 중탄산염이 탄산칼슘으로 전환되는 것을 도와준다.
용액에서 마이크로모터의 빠르고 연속적인 움직임은, 물 속에서 이산화탄소를 제거하는 마이크로모터의 효율성을 극도로 향상시켜준다. 마이크로모터의 자동화된 움직임은 효율적으로 용액의 혼합을 유발함으로써 더 빠른 이산화탄소의 전환을 가능하게 해 준다. 물 속의 마이크로모터에 동력을 공급하기 위해, 연구팀은 과산화수소(hydrogen peroxide)를 첨가하였다. 과산화수소는 마이크로모터 내부의 백금 표면과 반응하여 산소 기체를 기포 형태로 발생시키며, 이것이 마이크로모터에 추진력을 부여한다. 2~4%의 과산화수소를 포함하고 있는 수용액에 마이크로모터를 투입하면, 초당 100 마이크로미터의 속도를 낼 수 있다.
그러나 마이크로모터의 연료인 과산화수소의 사용은 추가적인 첨가제라는 점에서 단점이기도 하다. 또한 고가의 백금 재료를 마이크로모터 제조에 사용한다는 문제점도 있다. 다음 단계로, 과학자들은 물에 의해 구동되는 이산화탄소 포획용 마이크로모터의 개발에 주력할 계획이다.
만약 마이크로모터가 주위 환경을 연료로 활용할 수 있게 할 수 있다면, 이 마이크로모터는 더 저렴하고 친환경적이며 대규모로 제조도 가능해질 전망이다.
그림 1> 튜브 형태의 마이크로모터가 나노공학자들에 의해 개발되었다. 물 속을 샅샅이 뒤지며 효율적으로 이산화탄소를 제거할 수 있다. 마이크로모터의 표면은 탄산무수화효소로 기능화되어 있기 때문에, 이산화탄소를 탄산칼슘으로 빠르게 전환시키는 것이 가능하다.
그림 2> 마이크로모터 기반의 이산화탄소 격리 플랫폼. (A) EDC/NHS [1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)-carbodiimide/N-hydroxy succinimide] 커플링과 탄산무수화효소 고정화를 통한 마이크로모터 표면의 변환. (B, D) 마이크로모터 기반의 이산화탄소 격리는 중탄산염의 빠른 수화를 가능하게 하며, 염화칼슘(CaCl2)을 통해 침전시킬 수 있다. (우측) 정적인(a) 및 동적인(b) 마이크로모터에 고정된 탄산무수화효소로 처리한 후의 탄산칼슘(CaCO3) 침전에 대한 사진. (C) 탄산무수화효소의 촉매작용에 의한 이산화탄소 수화에 대한 메커니즘. (a, b) 탄산칼슘 결정의 주사전자현미경 사진.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 9월 28일]
[원문보기]
Tiny carbon-capturing motors could help clean up carbon dioxide pollution in the oceans
Machines that are much smaller than the width of a human hair could one day help clean up carbon dioxide pollution in the oceans. Nanoengineers at the University of California, San Diego have designed enzyme-functionalized micromotors that rapidly zoom around in water, remove carbon dioxide and convert it into a usable solid form.
The proof of concept study represents a promising route to mitigate the buildup of carbon dioxide, a major greenhouse gas in the environment, said researchers. The team, led by distinguished nanoengineering professor and chair Joseph Wang, published the work this month in the journal Angewandte Chemie.
"We're excited about the possibility of using these micromotors to combat ocean acidification and global warming," said Virendra V. Singh, a postdoctoral scientist in Wang's research group and a co-first author of this study.
In their experiments, nanoengineers demonstrated that the micromotors rapidly decarbonated water solutions that were saturated with carbon dioxide. Within five minutes, the micromotors removed 90 percent of the carbon dioxide from a solution of deionized water. The micromotors were just as effective in a sea water solution and removed 88 percent of the carbon dioxide in the same timeframe.
"In the future, we could potentially use these micromotors as part of a water treatment system, like a water decarbonation plant," said Kevin Kaufmann, an undergraduate researcher in Wang's lab and a co-author of the study.
The micromotors are essentially six-micrometer-long tubes that help rapidly convert carbon dioxide into calcium carbonate, a solid mineral found in eggshells, the shells of various marine organisms, calcium supplements and cement. The micromotors have an outer polymer surface that holds the enzyme carbonic anhydrase, which speeds up the reaction between carbon dioxide and water to form bicarbonate. Calcium chloride, which is added to the water solutions, helps convert bicarbonate to calcium carbonate.
The fast and continuous motion of the micromotors in solution makes the micromotors extremely efficient at removing carbon dioxide from water, said researchers. The team explained that the micromotors' autonomous movement induces efficient solution mixing, leading to faster carbon dioxide conversion. To fuel the micromotors in water, researchers added hydrogen peroxide, which reacts with the inner platinum surface of the micromotors to generate a stream of oxygen gas bubbles that propel the micromotors around. When released in water solutions containing as little as two to four percent hydrogen peroxide, the micromotors reached speeds of more than 100 micrometers per second.
However, the use of hydrogen peroxide as the micromotor fuel is a drawback because it is an extra additive and requires the use of expensive platinum materials to build the micromotors. As a next step, researchers are planning to make carbon-capturing micromotors that can be propelled by water.
"If the micromotors can use the environment as fuel, they will be more scalable, environmentally friendly and less expensive," said Kaufmann.
|
즐겨찾기 추가 
시작페이지로 설정
