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천연고분자의 비밀, 당신이 알고 있는 재료는 어떤 것이 자연이 준 선물인가요?
폴리머는 하나 이상의 모노머에서 파생된 많은 반복 단위로 구성된 큰 분자입니다. 자연에서 발견되는 고분자와 합성 고분자는 우리 일상생활에서 필수적인 역할을 합니다. 폴리스티렌과 같은 친숙한 합성 플라스틱부터 DNA, 단백질과 같은 천연 생체고분자까지 모두 생물학적 구조와 기능에 중요한 역할을 합니다.
고분자는 높은 인성, 높은 탄성, 더 쉽게 비정질 또는 반결정 구조를 형성하는 경향을 포함하는 특성을 갖고 있어 생물학 및 산업 응용 분야에 널리 사용됩니다.
폴리머라는 용어는 '다수'와 '부분'을 의미하는 그리스어에서 유래되었습니다. 이 용어는 1833년 Jöns Jacob Berzelius에 의해 처음 제안되었지만, 1920년 Hermann Staudinger는 공유 결합 분자로서의 큰 분자 구조를 강조하면서 현대 고분자의 개념을 제안했습니다.
천연고분자의 종류
천연 고분자는 여러 유형으로 나눌 수 있으며 일반적인 유형은 다음과 같습니다.
천연 폴리머
대마, 호박, 천연 고무와 같은 천연 고분자는 수세기 동안 사용되어 왔습니다. 또한, 목재와 종이의 주성분인 셀룰로오스는 또 다른 중요한 천연 고분자입니다.
합성 고분자
합성고분자에는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐, 합성고무 등이 포함되며, 이들 소재의 연간 생산량은 3억 3천만 톤을 초과합니다. 폴리에틸렌과 같은 일반적인 폴리머는 반복 단위 또는 모노머인 에틸렌을 가지고 있습니다.
천연 및 합성 고분자에 대한 전 세계 수요는 여전히 증가하고 있으며, 이로 인해 응용 범위도 계속 확장되고 있습니다.
고분자의 합성과 생합성
중합은 여러 개의 작은 분자(단량체)를 공유 사슬이나 네트워크로 결합하는 과정입니다. 이 과정에서 각 단량체에서 특정 화학 그룹이 손실될 수 있습니다. 다양한 합성 방법은 단계 중합과 사슬 중합으로 나눌 수 있으며, 단계 중합은 중축합과 중부가로 더 세분화될 수 있습니다.
생합성
다당류, 펩타이드 사슬, 핵산과 같은 자연의 생물학적 고분자는 세포 내 효소 반응을 통해 합성됩니다. 예를 들어, DNA의 형성은 DNA 중합효소에 의해 촉매되는 과정입니다.
바이오폴리머의 합성은 오늘날 과학연구에서 중요한 역할을 담당하고 있어 다양한 분야에서의 응용이 다양해지고 있습니다.
천연고분자의 변성
많은 중요한 상업용 고분자가 천연 고분자의 화학적 변형을 통해 합성됩니다. 예를 들어, 니트로셀룰로오스는 질산과 셀룰로오스의 반응으로 형성되고, 가황고무는 황과 천연고무의 고온 반응으로 형성됩니다. 이러한 수정은 성능을 향상시킬 뿐만 아니라 적용 범위도 확장합니다.
합성 고분자의 경우 미세구조, 분자량, 중합도가 물리적 특성을 결정하는 핵심 요소입니다.
고분자의 구조와 배열
고분자의 구조는 나노미터 이하 수준부터 거시적 수준까지 다양한 길이 규모로 설명할 수 있습니다. 각 단계의 구조는 다음 단계의 기초를 제공합니다. 폴리머의 다양한 구조적 형태는 특히 결정화 공정 및 상 분리 측면에서 물리적, 화학적 특성에 영향을 미칩니다.
궁극적 생각
고분자는 자연 환경과 현대 사회 모두에서 그 중요성을 보여줍니다. 그러므로 우리는 점점 더 복잡해지는 재료 과학에 직면하면서 자연에서 얻은 재료와 그 잠재적 용도에 더 많은 관심을 기울여야 할까요?
