버려지던 라벤더 줄기가 부동액 등 산업용 화학물질에 포함된 독성 성분을 감지하는 고성능 센서로 재탄생했다.

중국 신장대 연구팀은 농업 폐기물인 라벤더 줄기를 이용해 유해 화학물질인 에틸렌글리콜을 높은 감도로 검출하는 바이오차 기반 센서를 개발했다고 15일(현지시간) 국제학술지 '바이오차'(Biochar)에 발표했다.

에틸렌글리콜은 자동차 부동액, 폴리에스터 생산 등 다양한 산업 공정에 쓰이지만 인체 노출 시 중추신경계 이상과 장기 손상을 유발할 수 있어 신속하고 정확한 탐지가 중요하다.

연구팀은 신장 지역의 농업 부산물인 라벤더 줄기에 주목했다. 라벤더 줄기는 섬유 구조가 느슨하고 칼슘을 자연적으로 함유하고 있어 센서 역할을 하는 바이오차 제작에 적합했다.

연구의 핵심은 나노셀룰로오스를 추출하는 과정에서 가수분해 시간을 조절해 바이오차의 미세 기공과 표면 구조를 정밀하게 설계한 것이다. 가수분해 시간이 너무 짧으면 기공이 제대로 형성되지 않고, 너무 길면 구조가 손상됐다.

연구팀은 3시간의 가수분해를 거친 소재(CLN-3)가 최적의 성능을 보인다는 사실을 발견했다. 이 소재는 에틸렌글리콜 분자가 쉽게 침투하고 표면과 잘 반응하는 다공성 구조를 갖췄다.

실제 성능 테스트에서 이 센서는 상온에서 0.36ppm(100만분의 1) 수준의 낮은 농도까지 에틸렌글리콜을 감지했으며, 40일 이상 안정적인 성능을 유지했다. 기존 센서 대부분이 고온에서 작동해야 했던 것과 달리 상온에서 작동해 에너지 소비를 줄이고 휴대용 장치로 개발될 가능성을 열었다.

연구팀은 밀도범함수 이론 계산을 통해 라벤더 유래 바이오차에 자연적으로 존재하는 칼슘이 에틸렌글리콜 흡착을 강화해 센서 감도를 높이는 원리를 규명했다.

자오펑 우 교수는 "농업 잔여물이 정밀한 구조 설계를 통해 공공 안전과 환경 모니터링을 위한 첨단 기능성 소재가 될 수 있음을 보여줬다"고 연구 의의를 설명했다.