일상생활에서 나노기술을 기반으로 하는 제품의 생산 및 사용이 급속히 증가된 결과 나노재료(nanomaterials)에 기인한 환경오염 위험 역시 증가하고 있다. 제조·제품 응용 및 폐기물 관리 공정에서 나노재료의 확산은 실제로 어느 정도 수질오염으로 이어진다. 상용 수질오염물질은 여과와 농축 공정을 포함한 최신 기술에 의해 정화될 수 있는 반면 이러한 공정은 나노규모의 오염물질을 정화시키지 못 한다.

나노재료의 크기는 마이크론 및 현재 사용되고 있는 기공의 크기가 보다 큰 상용 물 여과지 보다 작으며, 10㎚ 미만으로 일반적인 수질 오염물질보다 수천 배 더 작다. 여과지 기공 크기를 단순하게 줄이는 것은 여과 공정에서 막힘 현상이 유발될 수 있기 때문에 나노재료의 정화를 수행할 수 있는 해결책이 되지 못한다.

연구를 통해 나노재료로 오염된 물이 부엌에서도 수행될 수 있는 핸드셰이킹(hand shaking) 접근에 의해 정화될 수 있음을 증명했다고 미국 미시간공과대학(Michigan Technological University) 물리학부 교수인 Yoke Khin Yap 박사는 말했다. Yap 박사의 말에 따르면 해당 접근방식은 나노튜브·나노와이어·그래핀 및 나노시트 등 2차원과 1차원 재료에 사용될 수 있어 수질 오염의 위험을 저감시켜 지속적으로 나노기술의 개발을 지원할 수 있다.

Yap 박사의 연구진은 오염된 물로부터 나노재료를 추출 및 제거하기 위해 이용될 수 있는 미세 유체 계면 역학을 최근 규명했다. 이러한 새로운 추출 기술의 세부적인 사항은 『ACS Applied Materials & Interfaces』에 발표되었으며, 연구의 제목은 「오염된 물에서 1차원 및 2차원 나노재료를 추출하는 단순하고 보편적인 기술(A Simple and Universal Technique To Extract One-and Two-Dimensional Nanomaterials from Contaminated Water)」이다.

해당 기술은 거의 100%의 효율로 물에서 1D와 2D 나노재료의 추출을 가능하게 한다. 이 접근은 핸드셰이킹에 의해 오일 또는 다른 유기 용매를 포함한 오염된 물의 유화작용(emulsification)을 포함한다. 이후 이러한 나노재료는 높은 효율로 오일 상에서 포획될 것으로 보이며 나노재료는 오일과 물이 제거된 후 분리됐다.

연구에서 증명됐던 나노재료의 추출은 유화작용 공정이 이루어지는 동안 물에서 오일 또는 유기 용매 방울의 계면에서 생성됐던 모세관력(capillary force)을 기반으로 한다. 연구진의 말에 따르면 기능성 나노재료의 추출은 사용된 계면활성제(surfactant) 농도에 좌우된다. 만약 농도가 충분히 낮다면 이후 추출은 높은 효율로 이루어질 수 있다.

▲ 해당 기술을 통해 탄소 나노튜브·그래핀·질화붕소 나노튜브·질화붕소 나노시트·산화아연 나노와이어 등은 거의 100% 성공적인 효율로 오염된 물에서 추출될 수 있다.

입자 형태가 추출 메커니즘에 끼치는 영향을 확인하는 구형 입자(spherical particles)를 추출하는 시도를 수행했다고 Yap 박사는 말했으며, 나노재료는 유기 용매와 오일이 일단 증발되면 다시 사용될 수 있다고 지적했다.

연구 결과는 계면활성제, 입자 형태, 유기 추출 용액의 유형 등이 평가되어 탄소 나노튜브·그래핀·질화붕소 나노튜브(boron nitride nanotube)·질화붕소 나노시트·산화아연 나노와이어 등이 거의 100%의 성공적인 효율로 오염된 물에서 추출될 수 있다는 것을 시사한다.

제안된 추출 메커니즘은 추출 공정의 현장 모니터링에 의해 뒷받침되었으며, 연구진은 이러한 추출 접근이 나노입자로 오염된 물의 정수에 중요한 점이 입증되어 나노재료의 확산된 적용을 지원할 것으로 기대한다.
일반적으로 이러한 단순한 접근은 물에서 수많은 다른 입자 또는 고체를 추출하기 위해 이용될 수 있는 한편, 양자점(quantum dots)과 같은 0차원 재료의 추출은 아직까지 효율이 낮다. 이에 연구진은 다음 연구에서 이러한 문제를 극복하기를 희망한다.

기술에 대한 아이디어는 연구팀이 물과 오일을 분리하기 위하여 나노필터를 고안했던 몇 년 전으로 거슬러 올라간다. 당시 인용된 논문은 「물-오일 여과에서 초소수성 및 초친유성 탄소 나노튜브 메시의 성능(The performance of superhydrophobic and superoleophilic carbon nanotube meshes in water-oil」이라는 제목으로 발표되었다.

Yap 박사에 의하면 나노튜브의 초친유성(superoleophilicity)이 제시된 연구 논문에서 보고된 기술에 의해 오염된 물로부터 나노튜브를 추출할 수 있게 한다. 실제로 연구진은 동일한 기술이 초친유성이 아닌 나노와이어에도 잘 작동한다는 사실을 확인했다.