약한 결합은 강한 폴리머보다 더 쉽게 끊어집니다.

약한 결합은 폴리머를 강화시킵니다.

MIT와 듀크 대학의 화학자들은 재료에 약한 고리를 삽입하여 고분자를 강화하는 새로운 접근 방식을 개발했습니다.

연구자들은 폴리머 빌딩 블록의 일부를 부착하기 위해 더 약한 형태의 가교제를 활용하면 재료의 인열 저항성을 10배 높일 수 있다는 것을 발견했습니다.

이러한 고무 같은 폴리머는 자동차 부품과 3D 프린팅 제품의 "잉크"로 광범위하게 활용됩니다. 연구진은 이러한 접근 방식을 고무 타이어와 같은 다른 재료로 확장할 가능성을 조사하고 있습니다.

오늘 사이언스지에 게재된 이번 연구의 수석 저자 중 한 명인 MIT 화학 교수 제레미아 존슨(Jeremiah Johnson)은 다음과 같이 말했습니다. 타이어의 수명과 분해되는 미세플라스틱 폐기물의 양에 따라 달라집니다.”

“폴리머 엔지니어는 재료를 더 강하게 만드는 방법을 알고 있지만 변경하고 싶지 않은 일부 재료 특성을 변경하는 작업이 항상 포함됩니다. 여기에서 인성 향상은 물리적 특성의 다른 큰 변화 없이 이루어지며, 이는 적어도 우리가 측정할 수 있으며 전체 재료의 극히 일부만 교체함으로써 달성됩니다." 논문의 수석 저자이자 듀크 대학의 화학 교수인 스티븐 크레이그(Stephen Craig)는 말합니다.

연구진은 폴리머 가닥을 서로 묶기 위해 더 약한 말단 연결제를 사용하면 복합재가 약해진다는 사실을 발견했습니다. 사이클로부탄으로 알려진 고리형 분자를 포함하는 약한 링커는 이러한 빌딩 블록을 연결하는 데 일반적으로 사용되는 것보다 훨씬 적은 힘으로 분해될 수 있습니다.

새로운 연구에서는 폴리머 가닥이 끝에서 결합되기보다는 무작위 지점에서 다른 가닥과 교차결합되는 다른 폴리머 네트워크를 조사했습니다. 연구진이 이번에 아크릴레이트 빌딩 블록을 연결하기 위해 더 약한 링커를 사용했을 때 재료는 찢어짐에 대한 저항력이 훨씬 더 커졌습니다.

이 방법은 일부 약한 연결기를 가진 폴리아크릴레이트가 더 강한 가교 분자로 제조된 폴리아크릴레이트보다 찢어지기가 9~10배 더 어렵다는 것을 입증하는 데 사용되었습니다. 약한 가교제가 재료 전체 구성의 약 2%만을 차지했음에도 불구하고 이 결과는 얻어졌습니다. 또한 연구진은 열에 의한 분해에 대한 저항성과 같은 재료의 다른 특성이 구성 변화에 영향을 받지 않는다는 것을 입증했습니다.

두 가지 재료가 동일한 네트워크 수준 구조와 특성을 갖는 경우는 거의 없지만 크기에 따라 찢어지는 현상이 나타납니다. 연구자들은 고무와 같은 다른 재료의 경도를 높이기 위해 이 방법을 사용할 수 있는 가능성을 조사하고 있습니다.

폴리머 강도에 대한 이 그룹의 연구는 미국 국립과학재단(National Science Foundation)의 자금 지원을 받고 Craig가 이끄는 분자 최적화 네트워크 화학 센터(Center for the Chemistry of Molecularly Optimized Networks)의 구성 요소입니다. 센터의 목표는 고분자 네트워크의 분자적 특성이 물리적 거동에 어떻게 영향을 미치는지 배우는 것입니다.

연구원들은 또한 열에 의한 분해에 대한 저항성과 같은 재료의 다른 특성이 이러한 변경된 구성에 영향을 받지 않는다는 것을 입증했습니다.

Johnson은 "두 재료가 네트워크 수준에서 동일한 구조와 동일한 특성을 가지지만 거의 10배 정도의 인열 차이를 갖는 경우는 매우 드뭅니다."라고 말했습니다.

연구원들은 현재 고무와 같은 다른 재료의 경도를 높이기 위해 이 전략을 사용할 가능성을 조사하고 있습니다.

Craig는 "다른 유형의 재료에서 어떤 강화 수준을 얻을 수 있는지, 그리고 이를 가장 잘 활용하는 방법에 대해 여기에서 탐구할 것이 많습니다."라고 말했습니다.

국립과학재단(National Science Foundation)으로부터 자금 지원을 받는 분자 최적화 네트워크 화학 센터(Centre for the Chemistry of Molecularly Optimized Networks)는 고분자 강도에 대한 이 그룹의 연구가 보관되어 있는 곳입니다. Craig의 지시에 따라 이 센터는 고분자 네트워크의 분자 특성이 물리적 거동에 어떻게 영향을 미치는지 조사하는 것을 목표로 합니다.