Yan Vivian Li 박사섬유 과학 교수
디자인 및 머천다이징 학과, 보건 인문 과학 대학
교수진, 생체의용 공학 대학, 콜로라도 주립대학교

CSU 지구과학과 교수인 William Sanford 교수와 Vivian Li 박사는 오일 회수와 프래킹 과정 중 지표면 아래에서 일어나는 현상을 알아보기 위해 공동연구를 진행하고 있다. 유압 프래킹을 이용한 유정 개발은 근래 들어 정치적인 논란을 야기하고 있는데 콜로라도 주민들은 천연가스와 석유를 분출시키기 위해 지면 아래로 화학 물질을 주입하는 것이 주민들의 건강과 안전에 위협할 수 있다는 우려를 나타내고 있다. 주입된 화학물질이 환경에 유해한지에 대한 논란이 여전히 진행 중이며 어떤 이들은 주입된 화학물질이 어디로 사라지는지 혹시라도 지하 식수원을 오염시키고 있는 것은 아닌지 두려워하고 있다. 따라서 공동 연구팀은 높은 pH 수준 또는 유압 프래킹 화학 물질의 존재를 감지할 수 있는 지능형 추적기로 알려진 "스마트" 나노 입자를 개발하고 있다.

Yan Vivian Li 교수 인터뷰

스마트/지능형 의료 직물이란 무엇입니까?

지능형 의료 직물은 통합된 전기 센서 장치를 이용하여 심박수나 체온 같은 생체 신호를 예측할 수 있는 1세대 웨어러블 기술입니다. 의료용으로 사용되는 바이털 조끼는 이러한 지능형 의료 직물의 초기 의류 제품이라고 할 수 있습니다. 1세대 웨어러블 의료 직물이 극복해야 할 난관은 바이오 센서가 의복에 통합되어 있으므로 착용감이 떨어지고 세탁시 쉽게 망가질 수 있다는 것입니다.

우리는 이런 문제를 극복하기 위해 부착 장치의 크기를 축소하여 착용감을 높여 주는 직물용 나노기술을 사용하여 새로운 연구를 수행하고 있습니다. 웨어러블 의학 직물 연구의 다음 단계는 직물의 소재로써 지능형 중합체가 생체 반응에 응답하도록 처리하는 원료 소재에 대한 연구인데 우리는 이 연구를 통해 지능형 중합체가 세균에 반응하여 색깔을 바꿀 수 있도록 조절하고 있습니다. 이 기술을 의료용 붕대에 사용하면 상처 치료 시 감염을 조기에 발견할 수 있어서 중합체/섬유 화학자의 향후 연구에 새로운 해결책이 될 것입니다. 이처럼 우리 연구의 목표는 원료를 나노스케일 수준으로 처리하는 것이며 또한 이 신기술은 섬유 내 직물 소재에 직접 통합되므로 세탁 때문에 야기되는 1세대 웨어러블 의학 직물의 고장과 같은 문제점도 해결할 수 있습니다.

나노기술을 연구하는 전세계 다른 연구팀과는 어떻게 공동 연구를 수행하고 계십니까?

우리는 물리학자, 세포 생물학자, 다른 화학자 그리고 재료 과학자와 공동 연구를 수행하고 있습니다. 나노기술은 어떤 분야의 어떤 연구에도 적용 가능하다는 것이 장점입니다. 대부분의 공동 연구는 우리 연구실에서 새로운 도구와 연구 방법을 개발하고, 그것을 공동 연구팀으로부터 받은 매우 흥미로운 샘플에 적용하는 방식으로 이루어집니다.

나노 스피어로는 어떤 연구를 진행하고 계십니까?

우리는 나노 스피어 입자가 접하는 화학 물질에 따라 다른 화학반응을 일으킬 때 그 색깔이 바뀌도록 설계하고 있습니다. 우리는 석유와 같은 나노 스피어에 부착되는 다양한 화학 물질을 추적하기 위해 형광색을 이용합니다. 유압 프래킹이 시행되면 절반가량의 석유는 그냥 그대로 남아있게 되는데 이때 이 기술을 사용하면 나노 스피어를 통해 남아있는 석유를 더욱 효율적으로 감지할 수 있습니다. 이 기술은 혹독한 환경에서도 잘 작동합니다.

나노 스피어는 또한 지하수와 지표수에서 오염물질을 찾아내는 입자를 제작할 때 사용할 수 있습니다. 나노 스피어가 특정 화학 물질에만 반응하도록 적용되어 해당 물질을 감지시 색깔이 바뀌게 되며 과학자들은 이를 통해 해당 물질의 양을 측정할 수 있게 됩니다. 이 기술은 계면 화학을 나도 입자에 응용한 것인데 여러 응용 분야에 사용 잠재성이 있는 기술로 현재 연구 초기 단계에 있습니다.

Yan Vivian Li 교수(좌)와 연구실 소속 대학원생(우) Daniela Jankovska가 탄소 나노 입자 용액으로 실험을 진행하고 있다.

본인의 연구를 재생 에너지(renewable energy)와 지속가능성(sustainability) 분야에 어떻게 적용할 수 있습니까?

우리는 남미의 호수 또는 바닷물에서 흔히 발견할 수 있는 수면 위 리튬 이온을 선택적으로 흡수하는 나노 입자를 만들기 위해 여러 방법을 모색 중에 있습니다. 우리는 매우 높은 리튬 흡수를 보이는 넓은 표면적의 물질 위에서 리튬을 재생산해 낼 수 있는 나노 입자를 개발하고 있습니다.

원자현미경은 연구에 어떻게 이용하고 계십니까?

우리는 여러 다른 섬유질의 형태와 특성을 알아내기 위해 파크시스템스 원자현미경을 사용하고 있습니다. 우리의 연구에 보탬이 되는 원자현미경의 특성은 샘플의 경도와 같은 역학적 성질을 측정할 수 있는 기능인데, 이는 다른 현미경에서 불가능한 기능입니다. 우리는 파크시스템스의 원자현미경을 이용하여 다른 물성들도 정량화할 뿐 아니라, 섬유질과 중합체의 검사에서 중요한 나노스케일 측정을 하고 있습니다.

지능형 위생 물티슈 제작을 위해 국립 농업 식품 연구소(NIFA)와 미국 농무부(USDA)로부터 지원 받은 연구비는 어떻게 사용하고 계시는지 말씀해 주실 수 있으십니까?

지능형 위생 물티슈는 폴리디아세틸렌(PDA)과 폴리에틸렌 옥사이드 (PEO)의 혼합물을 전기방사하여 제작된 부직포로 만들어지고 있습니다. 전기방사된 PDA/PEO 나노섬유는 원자현미경으로 섬유의 형태와 역학적 특성을 검사하게 됩니다.

나노기술을 이용한 섬유 과학 연구가 앞으로 어떤 발전을 이루어 갈지 의견을 말씀해 주시겠습니까?

나노기술은 섬유의 역학적 특성, 방염성, 통기성을 포함한 여러 물성을 급격하게 향상시킬 수 있습니다. 나노 섬유는 나노기술로부터 지속적으로 의료용, 군용, 기술 및 산업용 직물 응용분야에서 기술의 진보를 이뤄나가게 될 것입니다.