밀가루로 만든 나노 면(麵,noodle)은 사람 머리카락보다 200배 가늘다.
화학자들이 지금까지 만들어진 것 중 가장 얇은 국수를 만들었다. 이 나노 스파게티는 일반 밀가루로 만들어졌다. 두께는 372nm(나노미터)에 불과해 사람 머리카락보다 약 200배 더 얇다. 연구팀의 설명에 따르면, 이론적으로 미세한 면은 먹을 수 있지만 생물의학 및 기술을 위한 섬유로 의도된 것이다. 그들은 밀가루, 따뜻한 개미산, 나노기술 '면 기계'를 사용해 나노 국수를 생산했다.
▲ 스파게티와 마찬가지로 이 실은 밀가루로 만들어졌지만 두께가 372나노미터에 불과해 세계에서 가장 얇은 국수다. © Beatrice Britton / Adam Clancy
빵, 파스타, 감자튀김 등 모든 음식에는 식물성 전분이 주요 성분으로 포함돼 있다. 연결된 설탕 분자로 만들어진 이 탄수화물은 자연에서 가장 흔한 중합체 중 하나이며 많은 야채와 곡물을 영양가 있고 안정적으로 만드는 요소다. 파스타의 경우, 스파게티 등의 모양을 유지하는 동시에 요리하는 동안 부풀어 오르게 하는 것은 밀가루에서 나온 전분이다.
전분은 부엌 밖에서도 수요가 있다. 부분적으로 가지가 있고 부분적으로 가지가 없는 당 사슬은 전분을 매우 강하게 만들지만 동시에 유연하고 가단성이 있다. 또한, 전분 섬유로 만든 섬유와 직물은 예를 들어 플라스틱 중합체와 달리 생물학적으로 적합하고 쉽게 분해된다. "전분은 또한 풍부하고 재생 가능하다. 이는 셀룰로오스 다음으로 지구상에서 두 번째로 큰 바이오매스 공급원이다"고 University College London의 수석 저자인 Adam Clancy는 설명했다.
완전히 일반 밀가루로 만든 나노 실
문제는 기술, 의학 및 나노기술을 위한 미세한 전분 섬유를 생산하려면 먼저 식물 재료를 힘들게 세척하고 전분을 추출해야 한다는 것이다. 이전에는 그렇게 믿었다. "그러나 이제 우리는 그것이 더 쉽다는 것을 보여주었다"고 Clancy는 말했다. 그와 그의 팀이 입증한 것처럼, 그러한 나노섬유는 사전 전분 추출 없이 밀가루에서 직접 생산될 수도 있다.
▲ 나노파스타가 만들어지는 과정 (a) 초기 전분 구조가 자유 사슬로 도식적으로 분해되고, 이후 냉각 시 얽힘이 발생하는 밀가루 도프 합성의 개요도, 디지털 사진이 첨부 (b) 전기 방사 공정의 개요도. (c) (i) 전기 방사 나노섬유 매트, (ii 및 iii) 유연성과 자립성을 강조하기 위해 구부러진 자립형 재료의 디지털 사진. (출처:Nanopasta: electrospinning nanofibers of white flour / Nanoscale Advances)
새로 개발된 공정은 놀랍게도 파스타를 만드는 것과 유사하다. "스파게티를 만들려면 미세한 금속 구멍을 통해 밀가루와 물의 혼합물을 눌러야 한다"며 “실험에서 우리는 전하를 사용해 밀가루 혼합물을 구멍을 통해 끌어당기는 것을 제외하고는 동일한 작업을 수행했다. 결과적으로 생성된 섬유는 훨씬 더 얇은 실제 스파게티다”고 클랜시는 설명했다.
파스타를 만들 때와 마찬가지로 나노 스파게티에도 밀가루가 기본 재료다.
“밀은 일반적으로 약 80%의 전분, 15%의 단백질, 4%의 설탕, 1%의 지방으로 구성되어 있다”고 화학자들은 설명했다. 파스타 반죽을 만들려면 밀가루를 32도에서 물이 아닌 포름산(CH2O2)과 섞는다. 별로 맛있어 보이지는 않지만, 뭉쳐져 있는 전분을 풀어 알갱이로 만드는 역할을 한다.
잠시 기다린 후 이 혼합물은 중량 17%의 밀과 개미산의 점성 덩어리를 생성한다. 이제 질량이 냉각되어 파스타 기계의 나노기술 버전인 전기방사기에 투입된다. 이는 "파스타 덩어리"가 담긴 용기와 금속 베이스와 같은 외부 전극 사이에 전기장을 생성한다. 이제 전기장은 미세한 노즐을 통해 밀 혼합물을 끌어당겨 나노 크기의 섬유를 생성한다.
Clancy와 그의 팀은 “우리가 아는 바로는 이전에 밀가루를 사용하여 전기방사(electrospinning)를 수행한 적이 없다”고 설명했다. “밀가루의 조성이 불균일하기 때문에 순수 전분을 사용하는 것보다 방적하기가 더 어렵다.”
▲ (a–e) FA에 녹인 17중량% 밀가루에서 32°C에서 6시간 동안 전기방사한 후 1시간 동안 냉각한 나노섬유 매트의 SEM 현미경 사진. (f) 평균에서 ±1 표준 편차를 갖는 25nm 빈의 섬유 직경 히스토그램은 색상 막대로 표시.
나노 스파게티는 먹을 수도 있다
이것은 효과가 있었다. 전기 방사기는 평균 두께가 372nm에 불과한 미세한 밀가루 섬유를 생산했다. 이 '나노 스파게티'는 사람의 머리카락보다 약 200배 얇고, 지금까지 손으로 만든 가장 얇은 파스타보다 약 천 배 더 얇다. 세상에서 가장 얇은 파스타는 소위 "수 필린데우(Su Filindeu, 신의 실)" 로 사르데냐(지중해에 있는 이탈리아 섬)지방의 도시 누오로(Nioro)의 파스타 제작자에 의해 제조된 제품이다.
특이한 생산 방법에도 불구하고 Clancy와 그의 팀의 나노 스파게티는 이론적으로는 먹을 수도 있다. 전기방사 중에 개미산이 증발하기 때문에 일반 파스타와 마찬가지로 건조하고 단단히 붙어 있는 밀 덩어리만 남게 된다. "하지만 나노섬유가 1초 이내에 완전히 익기 때문에 파스타로 적합하지 않다고 생각한다"고 Clancy의 동료인 Gareth Williams는 말했다.
▲ 녹말이 함유된 나노 스파게티는 이와 같이 미세한 직물을 뽑는 데에도 사용할 수 있다.© Beatrice Britton / Adam Clancy
생물 의학 등의 연구에 유용
나노 스파게티는 다른 응용 분야에서 훨씬 더 유용할 수 있다. "전분으로 만든 나노섬유는 예를 들어 다공성 때문에 상처 드레싱에 큰 잠재력을 보여준다"며 "설탕, 단백질 및 기타 분자의 네트워크는 세포가 안정화하기 위해 생성하는 매트릭스와 유사하기 때문에 실험실에서 조직 배양을 위한 지지대로 사용될 수도 있다"고 윌리암스는 설명했다.
화학자들은 또한 나노 면으로 미세한 그물을 만들었으며, 이는 예를 들어 생체 적합성 나노 필터 또는 상처 드레싱으로 사용될 수 있다. Clancy와 그의 팀은 “매트는 기존의 전분 섬유를 보다 친환경적이고 저렴한 대안으로 대체할 수 있는 이상적인 조건을 제공한다”고 말했다. 다음 단계로 그들은 이제 나노 스파게티의 특성을 더 자세히 조사하고 예를 들어 세포가 나노 스파게티를 얼마나 잘 견디는지 테스트하려고 한다.
(Nanoscale Advances, 2024; doi: 10.1039/D4NA00601A)
출처:University College London