본 논문은 자극 반응형 Joule 가열 특성을 갖는 메조포러스 섬유로 구성된 기능성 폴리머 모놀리스를 전략적으로 분자 설계하여, 물로부터 점성이 있는 연료유를 신속하고 효율적으로 회수하는 방법을 제시한다. 메조포러스 섬유는 신중하게 선택된 단량체로 구성되었으며, 이들은 일원 합성(one-pot) 과정에서 서로 자발적으로 얽혀 스펀지상 모놀리스를 형성하였다. 이어서 폴리피롤 폴리머리 nanoparticle을 폴리머에 추가함으로써, 인장에 반응하는 전기전도성을 지닌 초발수성(superwettable) 얽힘 섬유가 제조되었고, 이를 통해 모놀리스를 압축 가능하고 섬유질이며 다공성인 흡착제로 사용할 수 있게 되었다. 이 흡착제는 고유량 분리 능력을 가지며, 전기적 가열 효과를 조절(tunable)할 수 있다. 본 흡착제는 연속적이고 고도로 효율적인 공정에서 물로부터 서로 다른 종류의 저점도 오일을 성공적으로 분리함을 입증하였다. 또한 해양 연료유(MFO 380) 회수 과정에서 외부 전압 하 최소 3%의 압축만으로도 온도가 신속하게 상승하였다. 제안된 흡착제는 다양한 연료유의 효과적인 회수에 활용될 수 있으며, 다양한 수처리 시스템을 위해 다른 시너지 성분을 통합함으로써 추가로 개선될 수 있다.

트라이보전기(triboelectric) 기반 센서에 대한 관심이 증가함에 따라, 특정 물질로부터 유전체 층을 합성하는 연구가 점차 대두되고 있다. 수많은 음전하를 띠는 트라이보전기 물질에도 불구하고, 합성이 가능한 양전하 물질은 부족하여 연구 공백이 존재한다. 본 연구는 하향식(bottom-up) 합성을 통해 접합된(conjugated) 메조다공성(mesoporous) 자기조립 시트(self-assembled sheet)의 분자 설계를 제시한다. 합성된 시트는 트라이보전기 나노발전기(triboelectric nanogenerator)를 제작하기 위해 기능화된다. 큰 비표면적, 연성, 내부 공간은 실제 접촉 면적을 증가시키고 폴리피롤(polypyrrole) 나노입자에 대한 흡착 자리를 제공한다. -COO 기능기(functional group)의 도입은 양(+)의 트라이보전기 성능을 향상시켜 전하 포획(charge-trapping) 능력을 갖는 유전체 층을 형성한다. 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE)과 접촉 시, 이러한 구조는 출력 전압을 증대시키며 전하 주입 이후 최소한의 감쇠로도 상당한 증폭을 보인다. 시연으로서, 이 양층(bilayer) 구조는 실험자의 팔에 터치패드로 적용되어 기호를 작성하는 데 사용된다. 작성자의 의도를 해석하기 위해 신호를 혁신적인 기계학습 모델에 입력한다. 또한 해당 장치는 실시간 의료 서비스를 위한 단말에 연결되어, 인공지능을 결합한 웨어러블 트라이보전기 센서의 실용적 적용 가능성을 시사한다.

본 논문은 자극 반응형 Joule 가열 특성을 갖는 메조포러스 섬유로 구성된 기능성 폴리머 모놀리스를 전략적으로 분자 설계하여, 물로부터 점성이 있는 연료유를 신속하고 효율적으로 회수하는 방법을 제시한다. 메조포러스 섬유는 신중하게 선택된 단량체로 구성되었으며, 이들은 일원 합성(one-pot) 과정에서 서로 자발적으로 얽혀 스펀지상 모놀리스를 형성하였다. 이어서 폴리피롤 폴리머리 nanoparticle을 폴리머에 추가함으로써, 인장에 반응하는 전기전도성을 지닌 초발수성(superwettable) 얽힘 섬유가 제조되었고, 이를 통해 모놀리스를 압축 가능하고 섬유질이며 다공성인 흡착제로 사용할 수 있게 되었다. 이 흡착제는 고유량 분리 능력을 가지며, 전기적 가열 효과를 조절(tunable)할 수 있다. 본 흡착제는 연속적이고 고도로 효율적인 공정에서 물로부터 서로 다른 종류의 저점도 오일을 성공적으로 분리함을 입증하였다. 또한 해양 연료유(MFO 380) 회수 과정에서 외부 전압 하 최소 3%의 압축만으로도 온도가 신속하게 상승하였다. 제안된 흡착제는 다양한 연료유의 효과적인 회수에 활용될 수 있으며, 다양한 수처리 시스템을 위해 다른 시너지 성분을 통합함으로써 추가로 개선될 수 있다.

트라이보전기(triboelectric) 기반 센서에 대한 관심이 증가함에 따라, 특정 물질로부터 유전체 층을 합성하는 연구가 점차 대두되고 있다. 수많은 음전하를 띠는 트라이보전기 물질에도 불구하고, 합성이 가능한 양전하 물질은 부족하여 연구 공백이 존재한다. 본 연구는 하향식(bottom-up) 합성을 통해 접합된(conjugated) 메조다공성(mesoporous) 자기조립 시트(self-assembled sheet)의 분자 설계를 제시한다. 합성된 시트는 트라이보전기 나노발전기(triboelectric nanogenerator)를 제작하기 위해 기능화된다. 큰 비표면적, 연성, 내부 공간은 실제 접촉 면적을 증가시키고 폴리피롤(polypyrrole) 나노입자에 대한 흡착 자리를 제공한다. -COO 기능기(functional group)의 도입은 양(+)의 트라이보전기 성능을 향상시켜 전하 포획(charge-trapping) 능력을 갖는 유전체 층을 형성한다. 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE)과 접촉 시, 이러한 구조는 출력 전압을 증대시키며 전하 주입 이후 최소한의 감쇠로도 상당한 증폭을 보인다. 시연으로서, 이 양층(bilayer) 구조는 실험자의 팔에 터치패드로 적용되어 기호를 작성하는 데 사용된다. 작성자의 의도를 해석하기 위해 신호를 혁신적인 기계학습 모델에 입력한다. 또한 해당 장치는 실시간 의료 서비스를 위한 단말에 연결되어, 인공지능을 결합한 웨어러블 트라이보전기 센서의 실용적 적용 가능성을 시사한다.

모바일 로봇의 다운사이징은 기존의 전기기계적 시스템이 질량과 크기에 따라 유리하게 스케일되지 않기 때문에 전력 및 제어 측면에서 장애에 직면한다. 기능성 소재의 최근 발전에도 불구하고, 소형 로봇에서 효율적인 에너지 저장, 구조적 통합, 요구 시 에너지 방출을 가능하게 하는 것은 여전히 어려운 과제로 남아 있다. 동물의 대사 전략에서 영감을 받아, 우리는 소형 수영 로봇의 체현된(embodied) 에너지를 위한 연료 담지체 분자를 설계하였다. 우리는 초저 표면장력 단위를 광가역적(photolabile) o-니트로벤질 유도체에 통합하여, 연료 저장과 제어된 방출을 위한 새로운 광반응성 분자를 도출하였다. 이 두 특성을 결합하면, 담지체 분자는 UV 빛 아래에서 결합이 절단되어 연료를 방출하고, 국소적으로 표면장력을 조작하여 마랑고니 흐름(Marangoni flows)을 생성한다. 우리는 이 연료 담지체를 손쉽게 가공할 수 있는 폴리머 복합재에 포함시켜, 체현된 에너지와 제어 기능을 갖춘 구조 구성요소로서의 적용을 가능하게 하였다. 이러한 접근법을 마랑고니 미세펌프 시스템, 표면장력 활성 입자 수송, 그리고 광화학적 on-off 추진과 자기 제어를 결합한 무선(untethered) 하이브리드 마이크로로봇에 적용하였다. 본 소재 플랫폼은 구조 구성요소에 연료와 에너지를 저장하고 정밀하게 필요 시 방출하기 위한 다목적 해결책을 제공하며, 마이크로로봇, 소프트 디바이스 및 능동 물질(active matter) 시스템에서 체현된 에너지 설계의 새로운 기회를 열어준다.

자연적으로 존재하는 관형 구조에서 영감을 얻은 중공 섬유는 높은 표면적-부피비, 낮은 밀도, 그리고 방향성 있는 물질 전달과 같은 독특한 장점을 바탕으로 다양한 현대적 응용 분야에 활용될 수 있다. 중액합중합 네트워크를 포함한 고분자 재료가 이러한 구조의 제작 가능성을 보여주었음에도 불구하고, 이들의 합성은 일반적으로 설계의 모듈화가 부족하며 종종 희생 템플릿이나 금속 촉매가 필요하여 전반적인 지속가능성을 제한한다. 본 연구에서는 자가조립하여 스펀지형 단일체를 형성할 수 있는 금속-프리(금속 무첨가) 중액합중합 중공 섬유를 위한 새로운 분자 설계 전략을 제시한다. 선택된 단량체는 빠른 Chichibabin형 축합 반응을 통해 완전한 공액(共軛) 방향족 네트워크를 형성하며, 이 네트워크는 동시에 균일한 서브미크론(미세) 중공 섬유로 자가조립되고, 이어서 섬유들이 얽혀 단일체를 이룬다. 이러한 전환은 금속, 템플릿 또는 후처리의 필요 없이 단일 단계(one-step), 원팟(one-pot) 합성으로 진행된다. 설계된 스펀지는 효율적인 광 흡수, 높은 표면적, 우수한 물질 전달 성능을 나타내며, 오일 흡수, 광촉매를 이용한 염료의 탈색, 기상(氣相)에서의 요오드 포집, 그리고 단열을 포함한 다중 기능에 활용될 수 있다. 본 바텀업 설계는 에너지, 환경, 그리고 생의학 응용을 포함하여 광범위한 유용성을 지닌 중공 섬유 기반 재료의 공학을 위한 다재다능하고 지속가능한 플랫폼을 대표한다.

로봇 체현(embodied) 에너지 광반응성 연료 운반체 분자(photoreponsive fuel carrier molecules)는 로봇 체현 에너지 설계를 위한 에너지 저장 및 요구 시 방출을 제공한다. 운반체 분자는 UV 조명 하에서 결합이 분해(bond scission)되어 화학적 연료를 방출하고 국소적으로 추진성 마랑고니(Marangoni) 유동을 생성한다. 연구 논문(doi: 10.1002/adma.202520447)에서 Hyungwoo Kim, Abdon Pena-Francesch 및 공저자들은 소규모 로봇과 능동 물질(active matter) 시스템에서 이 광화학적 체현 에너지 전략을 입증했으며, 미세펌프, 입자 조작, 그리고 무선-연결(untethered) 마이크로로봇 제어를 가능하게 한다.

이 논문은 바이오매스 원료를 활용하는 지속가능한 열경화성 수지(sustainable thermosets)를 위한 합리적 분자 설계를 제시하며, 해당 열경화성 수지의 연화성(malleability)과 분해성(degradability) 모두에 대해 분자 수준의 제어를 제공한다. 이러한 설계를 위해 우리는 의도적으로 합성