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마이크로에서 나노까지: 나노폴리머는 어떻게 재료 과학에 혁명을 일으키는가?
고분자 나노복합체(PNC)는 고분자 매트릭스에 분산된 고분자 또는 공중합체와 나노입자 또는 충전재로 구성됩니다. 이러한 나노입자는 다양한 형태(예: 플레이크, 섬유, 구형)로 제공되지만 적어도 하나의 치수는 1~50나노미터 범위에 있어야 합니다. 이러한 PNC는 전 세계 플라스틱 생산량의 95%를 차지하는 다상 시스템(혼합물, 복합재, 폼과 같은 MPS)입니다. 이러한 시스템에는 제어된 혼합/강화, 결과 분산의 안정화 및 분산상의 방향이 필요합니다. PNC를 포함한 모든 MPS에 대한 강화 전략은 유사합니다.
고분자 나노과학은 고분자-나노입자 매트릭스에 대한 나노과학의 연구 및 응용을 말합니다. 나노입자는 100나노미터보다 작은 크기를 가지고 있습니다. 작은 입자가 나노입자로 변하는 과정은 물리적, 화학적 특성의 변화를 가져옵니다. 이러한 변화를 일으키는 주요 요인 중 하나는 표면적 대 부피 비율의 증가와 입자 크기의 변화입니다. 입자 부피가 감소함에 따라 표면적 대 부피 비율이 증가하여 입자 표면 원자의 거동이 반응에서 더욱 지배적이게 됩니다.
"나노폴리머의 표면적이 넓을수록 다른 입자와의 상호작용이 더 강해지기 때문에 강도나 내열성과 같은 특성이 향상됩니다."
예를 들어, 실리콘 나노구체는 기존 실리콘과 큰 차이를 보입니다. 직경은 40~100나노미터이고 경도는 사파이어와 다이아몬드 사이입니다. 나노폴리머 복합체는 기상 전구체의 확산을 통해 무기 나노물질이 폴리머 매트릭스에서 성장하는 SIS(연속 삼투 합성) 방법으로도 제조할 수 있습니다.
바이오하이브리드 고분자 나노섬유
크로마토그래피, 광전자 정보 기술, 센서, 촉매 작용, 약물 전달 등 생물학적 물질(예: 단백질, 바이러스, 박테리아)을 기술적으로 응용하려면 고정화가 필요합니다. 탄소 나노튜브, 금 입자, 합성 폴리머가 이러한 목적으로 자주 사용됩니다. 생물학적 물질의 고정화는 주로 흡착이나 화학적 결합을 통해 이루어지며, 이러한 물질의 호스트 매트릭스에서 게스트로 거의 사용되지 않습니다.
"폴리머는 다양한 천연 또는 합성 폴리머와 고급 처리 기술 덕분에 생물학적 물질의 고정화를 위한 좋은 플랫폼을 제공합니다."
바이오하이브리드 나노튜브의 제조
고분자 섬유는 일반적으로 압출 기술을 통해 기술적 규모로 생산되며, 이를 통해 고분자 용융물 또는 고분자 용액이 원통형 다이를 통해 펌핑된 다음 테이크업 장치를 통해 회전되거나 인발됩니다. 오늘날 전기방사는 직경을 수백 또는 심지어 몇 나노미터로 축소하는 최고의 폴리머 가공 기술로 남아 있습니다. 강한 전기장을 가하면 고체 나노섬유가 형성될 때까지 액체 방울의 상단에서 유체 제트가 방출됩니다.
나노튜브의 응용
나노튜브는 특히 종양 치료에서 약물 방출에도 사용될 수 있습니다. 그들의 역할은 혈액 내 약물 파괴로부터 약물을 보호하고, 약물 방출의 역학을 제어하며, 특정 표적에 대한 수송 능력을 제공하는 것입니다. 뿐만 아니라, 반응성 폴리머를 가진 나노튜브는 튜브 입구의 개방과 방출을 제어하기 위해 화학적으로 변형될 수도 있습니다.
"나노튜브의 코어-쉘 섬유는 기능에 영향을 주지 않고 생물학적 물질을 포착할 수 있어 바이오센서에 잠재적으로 유용합니다."
나노폴리머의 공학적 응용
엔지니어링 응용 분야에서 나노폴리머 복합재는 탁월한 특성이 연비 개선에 도움이 되므로 자동차 타이어 산업에서 중요한 역할을 합니다. 또한, 나노폴리머 복합재료는 내열성이 우수하여 고온 환경에서도 사용됩니다.
나노폴리머 분야는 급속도로 발전하고 있지만 여전히 한계에 직면해 있습니다. 예를 들어, 나노섬유로부터의 약물 방출은 아직 정확하게 제어되지 않았으며 종종 폭발적으로 발생합니다. 그리고 미래 기술의 발전과 함께 우리는 자연스럽게 더 많은 가능성을 기대하게 됩니다.
미래의 재료 과학 문제를 해결하기 위해 나노폴리머의 특성을 어떻게 더 잘 활용할 수 있습니까?
