물질 내부에 다수의 세공을 가진 “다공성물질”은 다량의 가스, 액체를 흡착하기 때문에 널리 이용되고 있다. 그러나 스펀지 등 고분자 발포체 이외에는 유연한 다공성 물질은 거의 존재하지 않고, 물과 기름의 혼합물에서 기름만을 흡착하고, 신속하게 분리하는 것은 지금까지 간단하지 않았다.

 

일본 교토대학 연구팀(이화학연구과)은 간단하게 합성 가능하고 마시멜로(Marshmallow)와 같이 유연한 다공성 물질의 개발에 성공하였다. 이 물질 표면에는 높은 소수성을 갖기 때문에 스펀지를 짜듯이 물에서 기름을 신속하게 회수할 수 있다.

 

마시멜로는 많은 유기 고분자보다도 고온까지 안정하며, 저온에서도 부서지지 않는 실리콘 조성의 네트워크를 가지기 때문에 이 재료는 지금까지의 유기 고분자에서 불가능하였던 저온 및 고온에서의 사용도 가능하다. 때문에 새로운 영역에서의 분리촉매로서의 응용

 

 

교토대학 연구팀은 2012년 유기기(有機基)로서 메틸기를 가진 Methyltrimethoxysilane(MTMS)과 Dimethoxydimethylsilane(DMDMS)을 전구체로 하여 세계적으로 드문 유연 다공성 재료의 합성을 발표하였다. 이번 연구성과는 메틸기 이외에도 다양한 유기 치환기를 도입한 겔을 제조하여 초발수성, 친유성 및 유연성에 초점을 맞춘 특성면을 조사한 것이다.

 

마시멜로는 실리콘 고무, 수지의 주성분으로서 알려진 polydimethylsiloxane(PDMS)에 닮은 고분자 구조를 가지고 있다. 본 연구팀은 우선 PDMS가 가진 발수성에 주목하였다. 발수성에는 물질표면의 분자구조와 凹凸가 큰 영향을 미친다.

 

마시멜로 겔의 표면은 PDMS와 같이 발수성의 유기기로 둘러싸여 있으며, 다공성 물질 유래의 표면 凹凸면은 연꽃과 같이 물을 튀기는 효과를 발휘한다. 실제로 물의 접촉각을 조사한 결과, 초발수성을 나타내는 것을 알았다. 한편, 유기물(기름)에 대해서는 높은 친화성을 나타낸다.

 

물과 헥산을 혼합한 액체에 마시멜로 겔을 담근 결과, 헥산만 겔에 흡착되어 스펀지와 같이 반복적으로 흡착 및 압착함으로써 물에서 완전히 분리할 수 있다는 것을 확인하였다. 헥산 이외의 유기물에 대해서도 동일한 효과가 확인되어 마시멜로 겔을 사용함으로써 신속하게 물에서 기름을 분리할 수 있다는 것을 알았다.

 

그리고 PDMS와 같이 폭넓은 온도역에서 안정된 물질이라는 것을 알았다. 마시멜로 겔은 폴리스티렌 및 폴리우레탄 등 유기 고분자가 분해되는 섭씨 300도의 고온에서 거의 유기 고분자가 유연성을 유지하지 못하는 섭씨 130도의 저온에서도 유연성을 비롯한 물성은 거의 변화되지 않았다. 따라서 액체질소 중(-196도)에서도 가역적으로 형상을 회복할 수 있는 유연성을 유지한다는 것을 알았다.

 

골격을 형성하는 전구체의 종류를 변경함으로써 기능성을 가진 유기쇄(organic chain)를 도입시키는 것도 가능하다. 스펀지 등 고분자 발포체보다도 보다 넓은 범위에서 골격 및 세공의 크기를 억제할 수 있다는 것도 특징이다. 이것에 의해 흡착하는 기름의 점성에 적합한 세공 크기로 하거나, 마시멜로 겔 표면의 유기기를 이용하여 특정물질을 흡착시키는 등 목적에 맞는 재료설계를 간단하게 이룰 수 있다.

 

이와 같이 우수한 특성을 가진 마시멜로 겔이지만, 일반적인 졸-겔법으로 제조할 수 있으며, 전구체 등 약품을 한 번 혼합시켜 출발용액으로 하여 일정 온도(전형적으로는 섭씨 80도)로 유지함으로써 간단하게 원하는 형태로 합성할 수 있다. 원료는 공업적으로 널리 이용되고 있는 약품이며, 합성방법도 특수한 장치 및 조건은 필요하지 않기 때문에 원유 유출 현장에서도 신속하게 제조할 수 있는 재료이다.