희토류는 전기 자동차, 풍력 터빈 등 친환경 사업에 필수적인 요소다. 한때 희토류의 수요가 기하급수적으로 높아지는데 중국이 희토류의 70% 이상을 차지하고 있어 공급망 부족과 관련된 분쟁이 일기도 했다. 이를 막기 위해 기업들이 희토류를 정제하는 기술을 만들려는 노력이 이어져왔다.
이런 가운데 지난 9일(현지시간), 펜실베이니아 주립대학교(Pennsylvania State University)의 재료연구기관 연구원들이 물속에서도 표면에 달라붙는 홍합의 능력을 모방해 희토류 원소를 추출하는 효율적인 새로운 방법을 개발했다고 밝혔다.
이 소식은 에너지 전문 미디어 환경리더(environmentalleader)를 비롯해 과학전문 사이트 피스닷오르그(phys.org) 등 다수 매체에 보도됐다.
이 연구소는 지난 5월에도 독성 화학 물질보다 더 빠르고 효율적으로 희토류 원소를 분리할 수 있는 박테리아 단백질을 사용하는 메커니즘을 발견한 바 있다.
홍합은 홍합 단백질에서 발견되는 카테콜(catechol) 기반 분자의 접착 특성을 이용해 바닷 속 암반 등 수중 표면에 부착하는 능력을 지니고 있다. 연구원들은 이를 이용해 나노셀룰로오스 코팅(Mussel-inspired nanocellulose coating , MINC)을 개발했다.
이 프로세스는 현재 희토류를 얻기 위해 사용되는 추출 방법인 산업폐수 재활용과 같은 방법을 효율적으로 대체하는 역할을 할 것으로 예상된다.
MINC는 희토류 중에서도 네오디뮴을 추출하는 데 특히 유용하다. 네오디뮴은 EV 배터리와 같은 기술에서의 중요성 때문에 미국 에너지부(DOE)에 의해 중요한 물질로 여겨지는 원소다.
펜실베이니아 주립대학교 화학 공학 및 생물 의학 공학 조교수이자 수석 연구원인 아미르 셰이키(Amir Sheikhi)는 "MINC 접근법은 기존의 추출 방법에 대한 지속가능하고 친환경적인 대안을 제공해 환경 발자국을 최소화하고 중요한 요소를 리스크없이 사용할 수 있는 데 기여한다"라고 말했다.
자연에서 모방한 ‘생체 모방’을 이용한 MINC
연구원들이 홍합의 능력을 모방해 개발한 MINC 는 끈적이는 특성을 지닌 미세한 작은 털을 지닌 셀룰로오스 나노 결정으로 구성되어 있다. 화학반응을 통해 MINC는 표면에 얇은 분자 층을 형성해 광범위한 기판에 접착할 수 있는 것으로 알려졌다.
연구원들은 특정 희토류인 네오디뮴을 추출하기 위해 MINC를 적용했고, 네오디뮴에 자석의 철 같은 역할을 해 요소가 백만 분의 일로 제한된 양인 경우에도 희토류를 물 밖으로 끌어낸다고 전했다.
셰이키 수석 연구원은 “네오디뮴을 추출할 때 발생하는 문제는 낮은 농도에서 효율적으로 나트륨, 칼슘과 같은 원하지 않는 성분을 제거하지 못한다는데 있다. MINC는 이전 방법의 한계를 극복하고 네오디뮴 생산에 대한 향상된 성과를 보여준다”고 말했다.
연구진은 MINC가 다른 희토류를 추출하는데 어떻게 작동하는지 연구하고, 이 기술을 향후 다른 희토류를 얻기 위한 노력에 적용할 것이라고 언급했다. 이어 “대중과 사회가 깨끗한 에너지 기술 개발하는 것뿐만 아니라 새로운 의료 및 전자 장치를 만드는 데 중요한 요소인 네오디뮴의 가용성 증가를 통해 이익을 얻게 될 것”이라고 전했다.