, 손상 복구된 MPs가 원래 인장강도의 약 70%를 유지하였다. 개념 증명 시연을 통해 MPs의 종이접기(origami)와 유사한 구조 제작 가능성과 다회 재사용이 입증되었다. 이러한 결과는 MPs를 재구성 가능하고 재사용 가능한 종이 유사 재료로서 부각하며, 그 수명 주기를 연장하고 자원 수요를 감소시켜 지속가능한 재료 공학을 진전시킨다.

탄성 변형이 가역적으로 가능한 섬유, 실(얀), 직물 등을 포함한 탄성 직물(elastic textiles)은 의류부터 소프트 로보틱스, 웨어러블 전자기기, 생의공학적 시스템에 이르기까지 다양한 분야에서 필수적이다. 그러나 분자 수준의 구조(conformation), 섬유 아키텍처, 그리고 직물 규모의 구조가 집합적으로 탄성 거동을 어떻게 좌우하는지에 대한 근본적 이해는 학제 전반에 걸쳐 단편적으로 남아 있다. 본 리뷰는 단백질의 이차 구조(unfolding) 펼침 및 꼬인/권취된 실(twisted or coiled yarns)의 풀림을 포함하여, 구조 변화(conformational transitions)와 소프트-하드(soft–hard) 세그먼트 아키텍처와 같은 나노스케일 메커니즘을 미시적 및 거시적 변형 양상과 연결하는 새로운 다중스케일 설계 프레임워크를 제안한다. 또한 짜임직(woven), 편직(knitted), 편조(braided) 직물에서 거시적 구조를 갖는 실(매크로 구조화 얀)을 통합하기 위한 전략을 논의하며, 기능성, 제조 가능성, 내구성 간의 상호작용을 강조한다. 분자-부터-직물 규모에 이르는 메커니즘을 일관된 프레임워크 내에서 연계함으로써, 본 리뷰는 예측 가능하고 지속가능하며 다기능적인 탄성 재료 설계의 기반을 마련한다.

키틴성 고분자는 일반적인 느타리(Agaricus bisporus) 버섯에서 간단한 공정을 통해 추출되었으며, 이를 맞춤 제작한 실험실 규모의 섬유 방사 장치를 이용하여 연속 섬유로 성공적으로 형성하였다. 방사된 섬유는 글루칸 매트릭스 내에 포함된 다수의 키틴 피브릴로 구성되어 있고, 섬유 직경은 바늘 게이지에 의해 조절된다. 모든 버섯 유래 키틴 섬유는 30초 이내에 소량의 물(<10 μL)에 노출되었을 때 자가치유 특성을 보였다. 마이크로블레이드를 사용해 거시적으로 손상시킨 버섯 키틴 섬유는 인장 강도(최대 119%)와 파단 변형률(최대 132%)에 대해 높은 자가치유 효율을 통해 원래의 형상과 인장 물성을 효과적으로 복구할 수 있었다. 흥미롭게도 물 이외에 에탄올 또는 아세톤과 같은 어떤 용매도 자가치유를 유도하지 못했다. 이는 손상된 섬유 계면에서 키틴 섬유의 팽윤과 탈팽윤이 키틴 피브릴과 글루칸의 맞물림(intermeshing)을 유발하여 강력한 자가치유 작용으로 이어졌을 수 있음을 시사한다. 키틴 섬유의 간단한 제조는 다양한 기술 분야의 실제 적용을 위한 지속가능한 제조 기회를 제공하며, 우리는 섬유 및 직조 구조 형태로 대규모에서 반복 가능한 자가치유 성능을 입증하였다.

버섯. 막의 기공 구조를 변화시키기 위해 동결-해동 방법을 적용하였다. 해당 막은 글루칸 매트릭스 내에 키틴 섬유(clitin fibril) 클러스터가 형성된 것으로 구성된다. 조절 가능한 기공 크기와 분포를 통해, 버섯 유래 키틴 막은 다양한 화학적 특성과 농도를 갖는 안정적인 오일/물 에멀전(데칸, 톨루엔, 아이소옥탄, 고추기름) 및 입자 오염물질(카본 블랙 및 마이크로파이버)을 물로부터 효과적으로 분리할 수 있었다. 키틴 섬유는 서로 치밀하게 배열되어 치밀한 막을 형성하므로 오염물질이나 물의 투과가 일어나지 않는다. 적용되는 동결-해동 사이클의 횟수를 증가시킬수록 버섯 키틴 막 전반에 걸쳐 더 굴곡이 심한 기공 구조가 부여되며, 이로 인해 여과 성능(플럭스)이 증가하면서도 거부(rejection) 성능은 유지되었다. X-ray 컴퓨터 단층촬영과 GeoDict 소프트웨어로 구성한 3차원 시뮬레이션에서도 막의 기공 내에 상당량의 오염물질이 포집되는 양상이 확인되었으며, 이는 후속 연속 여과를 위해 물로 간단히 세척하여 제거할 수 있다. 또한 버섯 키틴 막은 토양에 매립하거나 라이소자임 용액에 보관한 후 약 한 달이 경과하면 거의 완전히 생분해되었고, 외부 및 대기 조건에서 압력을 가한 상태로 반복 사용 최대 15사이클까지도 일관된 여과 성능을 보이며 기계적 내구성을 입증하였다. 본 연구는 버섯에서 유래한 키틴이 환경 적용을 위한 기능성 및 생분해성 재료를, 규모 확장 가능성(scalability)과 함께 제공할 수 있음을 보여주는 개념 증명(proof of concept)이다.

, 손상 복구된 MPs가 원래 인장강도의 약 70%를 유지하였다. 개념 증명 시연을 통해 MPs의 종이접기(origami)와 유사한 구조 제작 가능성과 다회 재사용이 입증되었다. 이러한 결과는 MPs를 재구성 가능하고 재사용 가능한 종이 유사 재료로서 부각하며, 그 수명 주기를 연장하고 자원 수요를 감소시켜 지속가능한 재료 공학을 진전시킨다.

탄성 변형이 가역적으로 가능한 섬유, 실(얀), 직물 등을 포함한 탄성 직물(elastic textiles)은 의류부터 소프트 로보틱스, 웨어러블 전자기기, 생의공학적 시스템에 이르기까지 다양한 분야에서 필수적이다. 그러나 분자 수준의 구조(conformation), 섬유 아키텍처, 그리고 직물 규모의 구조가 집합적으로 탄성 거동을 어떻게 좌우하는지에 대한 근본적 이해는 학제 전반에 걸쳐 단편적으로 남아 있다. 본 리뷰는 단백질의 이차 구조(unfolding) 펼침 및 꼬인/권취된 실(twisted or coiled yarns)의 풀림을 포함하여, 구조 변화(conformational transitions)와 소프트-하드(soft–hard) 세그먼트 아키텍처와 같은 나노스케일 메커니즘을 미시적 및 거시적 변형 양상과 연결하는 새로운 다중스케일 설계 프레임워크를 제안한다. 또한 짜임직(woven), 편직(knitted), 편조(braided) 직물에서 거시적 구조를 갖는 실(매크로 구조화 얀)을 통합하기 위한 전략을 논의하며, 기능성, 제조 가능성, 내구성 간의 상호작용을 강조한다. 분자-부터-직물 규모에 이르는 메커니즘을 일관된 프레임워크 내에서 연계함으로써, 본 리뷰는 예측 가능하고 지속가능하며 다기능적인 탄성 재료 설계의 기반을 마련한다.

키틴성 고분자는 일반적인 느타리(Agaricus bisporus) 버섯에서 간단한 공정을 통해 추출되었으며, 이를 맞춤 제작한 실험실 규모의 섬유 방사 장치를 이용하여 연속 섬유로 성공적으로 형성하였다. 방사된 섬유는 글루칸 매트릭스 내에 포함된 다수의 키틴 피브릴로 구성되어 있고, 섬유 직경은 바늘 게이지에 의해 조절된다. 모든 버섯 유래 키틴 섬유는 30초 이내에 소량의 물(<10 μL)에 노출되었을 때 자가치유 특성을 보였다. 마이크로블레이드를 사용해 거시적으로 손상시킨 버섯 키틴 섬유는 인장 강도(최대 119%)와 파단 변형률(최대 132%)에 대해 높은 자가치유 효율을 통해 원래의 형상과 인장 물성을 효과적으로 복구할 수 있었다. 흥미롭게도 물 이외에 에탄올 또는 아세톤과 같은 어떤 용매도 자가치유를 유도하지 못했다. 이는 손상된 섬유 계면에서 키틴 섬유의 팽윤과 탈팽윤이 키틴 피브릴과 글루칸의 맞물림(intermeshing)을 유발하여 강력한 자가치유 작용으로 이어졌을 수 있음을 시사한다. 키틴 섬유의 간단한 제조는 다양한 기술 분야의 실제 적용을 위한 지속가능한 제조 기회를 제공하며, 우리는 섬유 및 직조 구조 형태로 대규모에서 반복 가능한 자가치유 성능을 입증하였다.

버섯. 막의 기공 구조를 변화시키기 위해 동결-해동 방법을 적용하였다. 해당 막은 글루칸 매트릭스 내에 키틴 섬유(clitin fibril) 클러스터가 형성된 것으로 구성된다. 조절 가능한 기공 크기와 분포를 통해, 버섯 유래 키틴 막은 다양한 화학적 특성과 농도를 갖는 안정적인 오일/물 에멀전(데칸, 톨루엔, 아이소옥탄, 고추기름) 및 입자 오염물질(카본 블랙 및 마이크로파이버)을 물로부터 효과적으로 분리할 수 있었다. 키틴 섬유는 서로 치밀하게 배열되어 치밀한 막을 형성하므로 오염물질이나 물의 투과가 일어나지 않는다. 적용되는 동결-해동 사이클의 횟수를 증가시킬수록 버섯 키틴 막 전반에 걸쳐 더 굴곡이 심한 기공 구조가 부여되며, 이로 인해 여과 성능(플럭스)이 증가하면서도 거부(rejection) 성능은 유지되었다. X-ray 컴퓨터 단층촬영과 GeoDict 소프트웨어로 구성한 3차원 시뮬레이션에서도 막의 기공 내에 상당량의 오염물질이 포집되는 양상이 확인되었으며, 이는 후속 연속 여과를 위해 물로 간단히 세척하여 제거할 수 있다. 또한 버섯 키틴 막은 토양에 매립하거나 라이소자임 용액에 보관한 후 약 한 달이 경과하면 거의 완전히 생분해되었고, 외부 및 대기 조건에서 압력을 가한 상태로 반복 사용 최대 15사이클까지도 일관된 여과 성능을 보이며 기계적 내구성을 입증하였다. 본 연구는 버섯에서 유래한 키틴이 환경 적용을 위한 기능성 및 생분해성 재료를, 규모 확장 가능성(scalability)과 함께 제공할 수 있음을 보여주는 개념 증명(proof of concept)이다.

본 연구는 DOZN™ 지속가능성 점수, 재료 비용 효율성, 케라틴 수율을 기준으로 선행에 보고된 케라틴 추출 방법들을 평가함으로써 울(wool) 폐기물의 화학적 업사이클링을 위한 지속가능한 프레임워크를 수립하고자 하였다. L-시스테인과의 환원 반응을 선택하였으며, 28–36%의 수율과 상대적으로 낮은 DOZN™ 집합 점수 12를 달성하였다. 이는 산화 및 dithiothreitol과의 환원 반응과 비교할 때 각각 29와 16의 점수를 보인 것에 해당한다. 본 방법은 울 실, 염색된 울 스웨터, 울 혼방 스웨터를 포함한 다양한 울 공급원에서 케라틴을 성공적으로 추출하였다. SEM 및 FTIR 디콘볼루션 분석 결과, 모든 공급원에서 추출된 케라틴은 유사한 미세구조를 나타내는 것으로 확인되었다. 개념 증명(proof-of-concept) 시연에서는 이러한 케라틴을 제형 첨가제, 흡착성 겔, 생분해성 종이 대체물에 사용할 수 있음을 보여주었으며, 44일 동안 91%의 질량 감소라는 주목할 만한 생분해성을 보였다. 본 연구는 DOZN™ 도구로 평가한 지속가능성, 즉 그린 케미스트리의 12가지 원칙과의 정합성을 고려하여, 실현 가능한 적용과 지속가능성 양 측면에서 섬유 폐기물 재활용 공정을 합리적으로 설계하기 위한 프레임워크를 제공한다. 이 프레임워크를 활용하면 향후 연구 및 산업계 협력을 통해 케라틴 기반 소재의 확장된 적용을 탐색하고, 섬유 재활용 공정의 효율성과 환경적 지속가능성을 향상시키는 지속가능한 실천을 도입할 수 있을 것이다.

수분 반응성 물질은 상대 습도 변화에 따라 부피를 변화시킨다. 최근 수분 반응성 물질에 관한 진전은, 지속 가능하고 재생 가능한 물 에너지를 활용함으로써 이 새로운 범주의 물질이 자연 근육과 기존 구동기에 비해 더 우수한 성능을 발휘할 수 있음을 보여주었다. 섬유 소재는 규모 확장이 가능한 수분 반응성 구동기의 유망한 후보가 된다. 그러나 수분 반응성에 대한 근본적인 이해가 부족하여 실제 적용이 저해되고 있다. 본 연구에서는 상업적으로 이용 가능한 재봉사 일곱 가지를 선정하여 수분 반응 거동을 체계적으로 조사하였다: 천연 셀룰로오스(면, 아마), 천연 단백질(양모, 실크), 재생 셀룰로오스(레이온), 합성(나일론, 폴리에스터)이다. 폴리에스터를 제외하고는 어떤 화학적 또는 물리적 개질도 수행하지 않았음에도, 모든 재봉사는 습도 변화에 반응하여 반복적으로 중량을 들어 올렸으며, 이는 포유류 근육(8 J/kg)보다 더 높은 비에너지 밀도(15–210 J/kg)를 생성하였다. 재봉사에 의해 최대 수분 흡착량이 기계적 구동과 직접적으로 상관되지는 않지만, 흡착된 물이 폴리머 사슬 간의 분자 간 수소 결합을 교란하는 것이 WR(수분 반응성) 인장 구동에 핵심적인 것으로 보인다. 또한 섬유를 적절한 정도로 꼬아 주면, WR 구동을 원하는 방향으로 유도할 수 있다. 일반적인 재봉사에 대한 본 연구는 수분 반응성 메커니즘을 밝혀내고, 에너지 수확, 소프트 로보틱스, 그리고 적용 범위를 확장하는 데 도움이 될 보호 장구를 포함하는 다양한 공학 시스템에 적용 가능한 대규모 수분 반응성 구동기 설계 지침을 제공한다.

유기인계 인화지연제( FR )는 일상용도에서 널리 사용되며, 시간이 경과함에 따라 용출(leaching)되는 현상이 점차 우려의 대상이 되고 있다. 본 연구에서는 9,10-dihydro-9-oxa-10-phosphaphenanthrene-10-oxide (DOPO)를 대표적인 유기인계 FR로 선택하여, γ-사이클로덱스트린(γ-CD)과의 포접포함복합체(inclusion complex, IC) 형성을 조사함으로써 탄화(char) 형성을 향상시키는 동시에 불필요한 독성 FR 화학물질의 방출을 방지하고자 하였다. IC 형성 과정에서 이온성 염인 염화나트륨(NaCl)과 염화칼슘(CaCl2)을 첨가하면 IC 결정의 수율이 최대 50%까지 증가하였다. 그러나 ‘금속 결정’만 제외된 순수 IC가 형성되는 경우에만 완전한 결정이 형성되었다. 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트(cellulose acetate butyrate, CAB)의 연속 용융 방사( melt spinning )는, 계(system) 내에 DOPO가 서로 양립하지 않는 조건에서 수행하기는 실질적으로 매우 어렵다. 형성된 IC는 말단(periphery)에서의 γ-사이클로덱스트린 유래 수산기(hydroxyl groups)로 인해 생체고분자 CAB와 양립성이 있었다. CAB/IC 섬유는 참고용 순수 CAB 및 CAB/CD 섬유와 함께 용융 방사되었다. DOPO가 캐비티(cavity)에 존재하지 않는 경우, CAB는 CD와 복합화(complexation)하는 것으로 FTIR 및 인장 특성으로 확인되었다. 또한 난연 거동은 참고용 순수 CAB 및 CAB/CD 섬유와 비교하여 평가되었다. CAB/IC는 섬유 내 DOPO 분율이 약 ∼0.8 wt%일 때에도 탄화층(char layer) 형성을 통해 자체소화(self-extinguishing) 거동을 나타내는 것으로 밝혀졌다.