미국-지구 시스템에 영향을 끼치는 나노 광물

지구 시스템에 영향을 끼치는 나노 광물

원자현미경, 고분해능 전자현미경 등 미소 영역을 관찰할 수 있는 도구의 개발은 나노 단위의 영역까지 인간의 관심을 확장시켰다. 2006년 12월 미국 캘리포니아 주의 버클리(Berkeley) 시의회는 나노 입자를 “제조된(Manufactured) 직경 100 nm 이하의 입자”라고 정의하고, 나노 입자를 취급하는 기업/단체가 나노 입자의 독성은 물론 그 관리 방법이나 파기 방법, 재고품의 추적, 비산 방지 대책 등을 보고하도록 의무화하고 있다. 나노 기술에 대한 이익과 위험에 대한 논란이 분분한 가운데, 자연에서 발견할 수 있는 나노 규모의 입자에 대하여 관심이 모아지고 있다.

    물, 대기, 토양 및 살아 있는 세포 등에 산재하는 작은 광물성 입자(mineral nanoparticle)는 과학자에게 지구를 이해하는 새로운 방식을 제공한다. 지구의 물리적, 화학적 및 생물학적 과정은 이러한 광물의 특성에 영향을 받거나 좌우된다.

    미국 국립과학재단(NSF; National Science Foundation)이 후원하는 7개 대학의 연구팀으로 이루어진 연구진은 극도로 작은 광물이 지구 시스템에 영향을 주는 방식이 이전에 생각한 것보다 훨씬 더 복잡하다고 제안했다.

NSF의 지구과학부(Division of Earth Sciences) 프로그램 책임자인 Enriqueta Barrera는 이번 연구가 지구 시스템에서 자연적 나노 입자의 관련성을 총체적으로 다루었다고 밝혔다. 나노 광물(nanomineral)의 역할에 대하여 더 많은 것을 규명하는 추가적인 연구가 수행되어야 한다고 Barrera는 밝혔다.

    광물은 입자 크기를 포함하여 광범위한 조성과 구조를 나타내기 때문에 거대한 범위의 물리적, 화학적 특성을 갖는다. 따라서 각 광물은 특정의 물리적, 화학적 특성의 조합을 나타낸다. 그러나 나노 광물은 한 가지 중요한 차이가 있다. 물리적, 화학적 특성의 범위가 나노 광물의 크기와 형태에 좌우된다는 점이다.

    이러한 차이가 나노 광물이 지구 시스템에 어떻게 영향을 끼치는지에 대한 사고와 광물의 다양성과 복잡성에 대한 견해를 변화시켰다고 연구팀의 일원인 버지니아 공대(Virginia Polytechnic Institute and State University) Michael Hochella는 밝혔다.

    나노 광물은 대기, 해양, 지표수, 지하수, 살아 있는 유기체, 심지어는 단백질 내에까지 광범위하게 분포되어 있어, 널리 응용할 수 있다. 나노 광물이 지구 시스템에 영향을 끼치는 사례는 다음과 같다.

첫째, 나노 입자(nanoparticle)는 대기로부터 이산화탄소를 제거하는 해양에 거주하는 식물성 플랑크톤(phytoplankton)의 서식에 중요한 역할을 한다. 식물성 플랑크톤의 성장은 철(iron) 이용도에 의해 제한된다. 해양에 함유된 철은 나노 콜로이드, 나노 광물, 나노 입자 등으로 구성되고, 하천, 빙하, 대기 침착 등에 의해 공급된다. 탄산칼슘 등과 같은 식물성플랑크톤 바이오 광물(biomineral)의 형성을 초래하는 나노 규모의 반응은 해양과 지구 탄소 순환(carbon cycling)에 중요한 영향을 끼친다.

둘째, 토양에서 나노미터 규모의 적철광(hematite)은 망간의 산화를 촉진시켜, 물과 토양에 있는 중금속을 흡수하는 광물을 형성한다. 산화 속도는 나노 입자가 존재했을 때 증가했다.

셋째, 나노 광물 때문에 유해한 중금속이 광범위하게 살포될 수도 있다. 클라크 포크 강(Clark Fork River)에 대한 연구에서 Hochella는 나노 광물이 납, 비소, 구리, 아연 등의 이동과 관련이 있다는 사실을 발견했다.

네째, 나노 광물은 방사성 물질을 이동시킨다. 전 세계 최대 원전 오염지 중 한 곳인 러시아 마약(Mayak)에 위치한 핵폐기물 재처리장이 광물성 나노 입자로 이동된 플라티늄이 지역적인 지하수에서 관찰됐음을 보여주었다.

    마지막으로 대기 중에서 광물성 나노 입자는 가열과 냉각에 영향을 끼친다. 이러한 입자는 물방울(water droplet)의 성장 중심으로 작용하여 구름 형성을 초래한다. 물방울의 크기와 밀도는 태양 복사와 구름의 수명에 영향을 끼치고, 이후 평균 전 세계 기온에 영향을 끼치게 된다.

    나노 광물의 생태학적 영향 및 생물지구화학적 영향은 주요 과학적 결과뿐 아니라 환경, 경제, 정치적 결과를 이끄는 가장 빠르게 성장하고 있는 연구 분야 중 하나라고 연구진은 결론지었다.

    나노 광물은 크기와 형태에 따라 자연계 내에서 다양한 역할을 수행할 수 있다. 특히 일반적인 유기체가 서식할 수 없는 극한의 상황에서도 특정 역할을 수행할 수 있다는 점은 인간이 할 수 없는 많은 일을 대행할 수 있다는 것을 의미한다. 따라서 인간은 이러한 미세 영역 분야에서 새로운 가능성을 찾는 데 주력할 필요가 있겠다. 특히 나노 입자는 환경 정화와 미세 영역에 대한 의료 분야 응용에서 가치 있는 이윤을 창출할 가능성이 크다. 관련 특성의 규명을 통해 유해성은 낮추고, 활용도는 높이는 연구 개발 투자가 적극 도모되어야겠다.(기사작성자 의견)

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