질산암모늄(AN)은 여러 중요한 용도로 널리 사용되는 화합물이며 비료 원료로, 수십억 명 분량의 식량을 생산하는 데 도움이 됩니다. 또한 여러 산업용 폭약의 주된 구성 요소로 연료유와 혼합된 상태에서 폭발을 일으킬 수 있습니다. 전 세계적으로 농업 활동이 활발해지고 질산암모늄 연료유(ANFO)에 대한 수요가 증가하면서 향후 5년 동안 질산암모늄 시장의 연평균 성장률(CAGR)이 4% 넘게 증가할 것으로 예상되고 있습니다. 그러나 잠재적인 폭발성과 남용 위험으로 인해 제조업체, 판매자, 사용자 모두 재난 상황이 발생하지 않도록 이 화합물의 안전에 주의를 기울여야 합니다.

그렇다면 이 유용한 화합물과 관련된 위험을 최소화하면서 이점은 계속 활용할 수 있는 방법은 무엇일까요? 이 글에서는 2020년 베이루트에서 발생한 질산암모늄 폭발 대참사에서 얻은 교훈과 더 이상의 폭발 사고를 방지할 수 있는 방법을 알아봅니다.

질산암모늄 시장 확대

질산암모늄 시장은 상승 궤도에 올라 있으며 최근 보고서에서는 2026년 시장 규모를 240억 달러로 예상하고 있습니다. 이러한 시장 규모 확대는 인구 증가로 인해 촉진되며 인구 증가는 식량 공급과 부동산의 수요 증가를 야기합니다. 질산암모늄은 이 두 산업의 중요한 자원이기도 합니다.

질산암모늄은 잘 알려진 비료 물질이며 이 화합물을 구성하는 NH₄(암모늄)과 NO₃(질산염)의 공통 성분이 질소입니다. 식물이 화합물의 질산염 형태에서 직접 질소에 접근할 수 있을 뿐만 아니라 암모늄 성분이 토양 미생물에 의해 서서히 질산염으로 변환될 수 있습니다. 질산암모늄은 이러한 특성으로 인해 식물 영양 공급원으로 질산염을 선호하는 채소 재배 농부들에게 인기가 많습니다. 가축을 키울 때도 목초와 건초 비료로 질산암모늄을 사용합니다. 식물이 흡수하기 전에 토양에서 휘발될 수 있는 요소 기반 비료보다 질산암모늄을 더 선호합니다. 물에 잘 녹아 관개 시스템에도 적합합니다.

질산암모늄의 다른 주된 용도는 광산, 채석장, 토목 분야에서 사용되는 폭발 화합물의 한 구성 요소라는 것입니다. 안포폭약(ANFO)의 일종으로 북미 지역에서 사용되는 폭발물의 80%를 차지합니다. 유감스럽게도 ANFO 구성 물질은 상대적으로 쉽게 구할 수 있어 사제 폭발물에 남용될 위험이 있습니다. 따라서 올바른 관리로 질산암모늄의 잠재적 위험을 줄여야 합니다.

베이루트 참사와 그 여파

2020년 8월 4일, 레바논 수도인 베이루트에서 최소 218명의 사망자와 6,000명이 넘는 부상자가 발생한 끔찍한 폭발 사고가 일어났습니다. 이 폭발 사고의 주된 원인은 베이루트 항구 내 창고에 보관 중이던 약 2,750톤의 질산암모늄이었습니다. 이 엄청난 양의 질산암모늄은 2014년 몰수된 퇴함에 함께 압수된 상태였습니다. 인근 창고 화재에서 나온 불꽃이 보관 중이던 비료의 발화제 역할을 하면서 엄청난 규모의 자산 손실과 약 300,000명의 이재민이 발생한 폭발 사고로 이어졌습니다. 이후 2년이 지난 2022년 7월, 8월에도 인근 곡물 저장 창고의 후속 붕괴로 베이루트에 계속 영향을 미치고 있습니다.

폭발로 인한 인적 피해 비용을 제외하더라도 경제적 피해액이 미화 67억 달러를 넘어서는 것으로 추정됩니다. 이 폭발 사고로 레바논 곡물 비축량의 90%가 소실되었으며 심각한 경제 위기와 함께 이미 식량 안전이 위태로운 상황에 어려움이 가중되었습니다. 관련 데이터는 부족하지만 환경 역시 이 폭발의 영향을 받았을 것이 분명합니다. 질산암모늄이 폭발하면 산화질소, 암모니아, 일산화탄소 등의 유해 가스가 환경에 배출되어 화학 오염을 일으키고 지역 주민들에게 피해를 끼치게 됩니다. 이러한 환경 오염은 생태계에도 악영향을 미칩니다. 분해 생성물이 바다로 이동하면서 양서류와 수중 생물이 질산염 중독 위험에 처하게 됩니다.

전문가들은 베이루트 폭발 사고를 분석하고 다른 유사 질산암모늄 재해와 비교했습니다. 베이루트 참사와 다른 여러 폭발 사고의 공통점은 폭발의 근본 원인이 화재에 대한 관리 부재였다는 것입니다. 그토록 엄청난 양의 질산암모늄을 한 곳에 비축한 것이 폭발의 위력을 증폭시켰으며 비축고가 도시에 위치해 있어 크나큰 인명 피해로 이어졌습니다. 이러한 분석 결과를 토대로, 국가 차원에서 화학 안전을 관리하기 위한 레바논 화학 규제 기관 설립, 향후 사고 대비를 위한 비상 대응 계획 수립 등이 제안되었습니다.

폭발 물질로서의 질산암모늄

대부분의 질산암모늄 폭발은 이동이나 보관 중에 발생하지만(그림 1) 폭발 위험 요인을 정확하게 이해하기 위해서는 질산암모늄의 화학 및 제조 공정을 이해해야 합니다.

질산암모늄은 물 속에서 암모니아와 질산의 반응으로 생성되며 이후 서서히 물이 증발하는 과정을 거쳐 고체가 됩니다.

NH₃ + HNO₃ → NH₄NO₃

암모니아는 보통 대기 중 질소에서 얻을 수 있으며 암모니아 연소 과정에서 질산이 생성됩니다. 이 두 기본 물질은 일반적으로 가까운 곳에 함께 보관하지 않습니다. 제조 시 수용액을 사용하는데 반응 과정에서 상당한 열이 발생하기 때문입니다. 그 다음 증발 단계가 여러 가지 폭발 원인이 될 수 있습니다. 제조 공정과 관련된 다른 폭발 원인으로는 질산암모늄의 안정성을 떨어뜨릴 수 있는 불순물 함유를 들 수 있습니다. 온도를 적절하게 조절하지 못하는 경우 역시 질산암모늄이 물을 흡수하거나 결정 형태를 변형시켜 사용하기에 적합하지 않은 응집 상태가 될 수 있습니다.

질산암모늄 반응에 대한 오랜 연구에도 불구하고 정확한 분해 및 폭발 메커니즘은 완전히 규명되지 않았습니다. 이 난제는 반응의 화학적 복잡성뿐만 아니라 다양한 대기 조건과 잠재적 오염 물질에서 일부 원인을 찾을 수 있습니다. 다음 반응은 주된 폭발 반응에 대한 가설입니다.

2NH₄NO₃ → 2N₂ + O₂ + 4H₂O

질산암모늄의 폭발성이 큰 이유 중 하나는 연료 역할을 하는 암모늄 이온과 강력한 산소 생성 작용을 하는 질산이 모두 같은 분자 내에 있기 때문입니다. 분해가 시작되면 열로 인해 폭발이 시작되며 산소 공급원이 이미 존재하므로 연소가 급속하게 진행됩니다. 결과적으로 아산화질소, 산소, 물과 함께 큰 열, 운동 에너지가 생성됩니다. 이러한 결과물은 최초 질산암모늄 양보다 1,000배 더 큰 폭발력으로 그 주변에 위력적인 폭발 피해를 야기합니다.

폭발 사고의 위험과 일반적인 남용을 최소화하기 위해 질산암모늄에 대한 여러 가지 공정, 첨가제, 대안에 대한 시험이 진행되었습니다(표 1). 그러나 완벽한 솔루션을 얻지는 못했으며 안전하고 경제적인 대안을 개발하기 위한 작업이 더 필요한 상황입니다. CAS가 제작한 질산암모늄 폭발 사고에서 얻은 교훈에 대한 Insight 보고서에서는 “폭발 사고가 일어나지 않는 비료를 만드는 것으로는 부족하며, 질산암모늄이 쉽게 폭발되지 않는 방법을 알아내야 한다”고 강조합니다.

표 1. 대체 질소 비료 목록

대체 질소 비료 또한 고려했습니다(표 1).그러나 질소 함유량이 가장 많은 대안은 상온에서 가스 상태인데다 독성이 있어 사용할 수 없습니다. 질소가 많이 함유된 비료와 다른 다량 영양소를 혼합하면 효과가 큰 비료를 생산하면서 폭발 위험은 줄일 수 있습니다.

질산암모늄 취급 주의

안전한 질산암모늄 취급 및 보관을 위한 많은 엄격한 규제와 요건이 이미 여러 국가에서 시행되고 있습니다. 미국의 경우 2001년 산업안전보건국(OSHA)에서 기본 규정을 발표했으며 2015년 역시 OSHA에서 환경보호국(EPA), 알코올, 담배, 화기, 폭발물 관리국(ATF)과 함께 발표한 주의보에 추가 지침이 나와 있습니다. 이 주의보는 질산암모늄 위험 관리와 안전을 강화하고 환경을 보호하기 위한 지속적인 정부 노력의 일환으로 발표되었습니다.

질산암모늄 안전에 대한 CAS Insight 보고서에서는 안전한 보관을 위해 여러 가지 변수를 신중하게 고려해야 한다고 강조합니다(그림 2). OSHA 규정에는 보관 장소에서 적절한 환기가 필요하다고 규정하고 있습니다. 이는 유독 가스 및 고압 가스의 축적과 집적을 방지하는 데 중요합니다. 법규 제정에서 고려되는 기타 안전 요인에는 보관 장소에서의 불연 물질 사용, 130°F 미만 온도 유지, 한 곳에 보관되는 질산암모늄의 양 제한, 적절한 소방 조치가 포함됩니다.

고체 질산암모늄과 같은 위험 물질을 통제하는 데는 법규와 지침이 필수적이지만 준수 의무를 다하지 않으면 안전도를 높일 수 없습니다. 질산암모늄의 위험성과 기존 지침 준수의 중요성에 대한 인식을 고취해 미래에 일어날 수 있는 대형 사고를 예방하거나, 최소한 가능성을 크게 줄일 수 있습니다.

질산암모늄은 농업을 비롯한 전세계 여러 산업 분야에서 다양하게 활용되고 있으며 경제적으로도 중요한 성분입니다. 그런데 지난 세기 발생한 여러 대형 폭발 사고로 인해 제조 및 보관 과정에서의 위험성이 강조되고 있습니다. 이러한 위험성 문제를 해결하기 위해서는 질산암모늄의 위험에 대한 대중의 인식이 필요하며 안전 조치 준수와 함께 적합한 대안을 개발하기 위한 노력이 계속되어야 합니다.

자세한 내용을 알아보려면 CAS Insight 보고서, “질산 암모늄: 습득한 교훈과 보다 안전한 접근 방식”을 다운로드하십시오.

세계보건기구가 COVID-19 팬데믹을 선언한 후 7개월에 걸친 광범위한 노력과 투자에도 불구하고, 이 질환으로 고통받고 있는 환자를 위한 효과적인 치료법은 여전히 불투명한 상태입니다. CAS 과학자와 기술자들은 바이러스의 영향을 완화할 수 있는 효과적인 항바이러스 치료법을 찾아내려는 노력을 돕기 위해, 예측적 머신 러닝 모델을 사용하여 COVID-19 치료를 위한 약물 후보를 식별하려 시도했습니다. 정량적 구조-활성 관계(QSAR) 방법을 사용해서 우선 바이럴 단백질 표적 3CLpro 또는 RdRp에 대한 40개 이상의 모델을 구축하고 테스트했습니다. FDA 승인 약물을 포함하여 150,000개가 넘는 화학 물질을 심사하기 위해 가장 효과적인 분류 모델을 적용했습니다. 그 결과, 로피나비르 및 텔미사르탄과 기타 많은 후보 물질을 포함하여 임상적 효능을 보이기 시작하는 여러 약물이 발견되었습니다.

COVID-19의 잠재적 저분자 약물 후보를 성공적으로 식별하기 위한 데이터 엄선 작업과 머신 러닝 예측 모델이 결합된 이러한 노력이 신약 개발에 있어 인간과 기계의 시너지 가치를 강조하면서 COVID-19는 물론 향후 팬데믹에 대비하기 위한 지속적인 항바이러스 관련 연구 노력에 기여할 수 있을 것입니다.

작년 한 해 동안 COVID-19 팬데믹 종식을 위해 전례 없이 많은 백신 후보가 등장했습니다. 2021년 2월 말 기준으로 다양한 백신이 조건부 승인을 받았으며 몇몇 백신은 승인을 받기 직전 단계에 도달했습니다. 여전히 임상 시험 단계에 있는 많은 백신이 향후 몇 년 내로 시장에 선보일 것으로 보입니다.

이 보고서에서는 이러한 백신을 비롯해서 전통적인 방식과 미래 지향적 방식으로 이루어지고 있는 관련 연구를 검토해 각 기술의 장단점, 보조제 및 전달 시스템 사용 현황, 미래 방향에 대한 전망 등을 알아봅니다.

이 기사는 역사상 가장 크고 충격적인 폭발 사고가 일어난 베이루트 참사를 추모하기 위한 취지로 작성되었습니다. 이 사고는 200km 떨어진 키프로스에서도 폭발음이 들릴 정도의 엄청난 규모였습니다. 폭발의 진원지는 항만 창고 시설로, 2,750톤의 질산암모늄 연료가 원인이었습니다. 

질산암모늄은 가장 널리 사용되는 비료 중 하나로, 탄광 폭약과 같은 다른 많은 탄광 폭약의 중요 성분이기도 합니다. 항생물질과 이스트를 만들기 위한 영양분으로도 사용됩니다. 산업 공정에서 사용되는 다른 많은 화학 물질과 마찬가지로 안전한 보관과 엄격한 취급 절차를 통해 그 위험성을 완화시킬 수 있습니다. 

베이루트 폭발 사고에 대한 조사는 현재도 계속 진행 중이지만 항만 창고에서 시작된 불이 질산암모늄이 보관된 장소로 확산된 것으로 알려져 있습니다. 별도의 격리 또는 화재 예방 조치 없이 불꽃 근처에 인화 물질을 부주의하게 보관한 것이 폭발의 원인이었습니다. 이 사고로 순식간에 200명의 사망자, 5,000명이 넘는 부상자와 함께 약 300,000명의 이재민이 발생했습니다. 유감스럽게도 이 사고는 유일무이한 특별한 케이스가 아닙니다. 질산암모늄과 같은 화학 물질로 인한 폭발과 화재는 너무나도 흔하게 일어나고 있습니다. 궁극적으로 물질이 에너지를 빠르게 방출하면 폭발 또는 화재 위험이 수반됩니다. 그렇다면 특정 화학 물질이 이러한 특성을 갖는 이유는 무엇일까요?

약한 화학 결합과 안정적인 생성물이 만나 폭발력을 발휘합니다.

물질의 화학 결합이 약할 경우, 특히 그 생성물이 안정적이면 화재나 폭발의 위험이 있습니다. 가솔린과 같은 연료는 연소 시 화학 결합이 강력하고 상태가 안정적인 물질이 생성됩니다. 가솔린의 경우 이러한 생성물은 이산화탄소와 물입니다. 가솔린은 열 또는 불꽃이나 불길과 같은 발화원이 있어야 연소됩니다. 연료 반응 물질의 결합이 쉽게 풀리지 않기 때문입니다.

예를 들어 그림 1은 가솔린 연소와 같은 반응의 개념 모델을 보여줍니다. 보라색 선은 반응 물질에서 생성물로의 반응 과정에서 자유 에너지의 변화 상태를 나타냅니다. 가솔린이 연소되면 물과 이산화탄소와 같은 강한 결합의 안정적인 생성물이 만들어지며 그 과정에서 엄청난 양의 에너지가 발산됩니다. 그림의 왼쪽 시작점에서 오른쪽 반응 끝까지 높이가 다르게 나타나는 이유입니다. 반응 물질과 생성물 사이의 자유 에너지 차이가 증가하면서 반응 발생 시 방출될 수 있는 에너지의 양 또한 증가합니다.

그런데 반응 물질에서 생성물을 얻기 위해서는 분자가 반응을 시작할 수 있는 충분한 에너지가 분자에 있어야 합니다. 반응은 일반적으로 결합의 해체로 시작되며 강한 결합을 해체하려면 엄청난 양의 에너지가 필요합니다. 즉 안정적인 분자의 반응을 시작하려면 많은 양의 에너지가 필요합니다. 이 에너지를 활성화 장벽이라고 하며 반응 경로 중앙에서 높이 솟은 부분의 높이로 알 수 있습니다.

활성화 장벽을 넘으면 반응이 발생할 수 있습니다. 반응 물질과 생성물의 자유 에너지 차이가 큰 만큼 한 분자의 반응이 다른 분자가 활성화 장벽을 넘을 수 있는 충분한 에너지를 제공할 수 있습니다. 반응이 계속해서 가속화되면 반응 물질을 모두 소비할 때까지 멈추기가 어렵습니다. 가솔린으로 시작된 화재 역시 쉽게 끄기 어렵습니다. 또한 생성물은 가스이므로(이산화탄소와 증기) 반응 물질보다 훨씬 더 넓은 공간을 차지합니다. 부피 확장에 따라 주변으로 에너지가 전달되므로 밀폐된 공간에서 반응이 발생하면 폭발의 위험이 있습니다. 가솔린 연소에는 더 많은 에너지가 필요하므로 에너지를 제공하는 작용은 물론 화재 또한 보다 쉽게 예방할 수 있습니다.

폭발성 화학 물질 예를 보려면 여기를 클릭하고 추가 화학 안전 또는 물질 리소스를 보려면 화학 안전 라이브러리와 CAS Common Chemistry를 참조하십시오. 

위험이 더 큰 다른 물질도 있습니다. 이러한 물질은 대부분 화학 결합 구조가 약합니다. 그림 1(녹색 선)은 또한 약한 결합 구조의 분자 연소와 같은 반응의 모델을 보여줍니다. 가솔린과 마찬가지로, 왼쪽 반응 물질과 오른쪽 생성물 사이의 자유 에너지 차이가 큽니다(높이 차이로 표시). 생성물은 강한 결합 구조를 가지며 반응 시 많은 양의 에너지가 방출됩니다. 그러나 이 반응의 경우 활성화 장벽의 높이가 가솔린 연소보다 훨씬 더 낮습니다.

반응은 일반적으로 결합의 해체로 시작되므로 약한 결합 구조는 반응이 쉽게 시작될 수 있습니다. 결합이 해체되면 완전히 연소될 때까지 반응이 이어집니다. 이 경우처럼 생성물의 에너지가 반응 물질보다 훨씬 더 적으면 한 분자의 반응으로 다른 분자의 반응을 유발하는 에너지가 방출될 수 있습니다. 반응 장벽이 낮으므로 그림 1 물질의 한 분자의 반응(녹색)에서 그림 1 물질의 한 분자의 반응(보라색)보다 더 많은 분자가 유도될 수 있습니다. 약한 결합은 반응이 시작되면 빠른 속도로 가속화될 수 있음을 의미합니다. 생성물이 가스인 경우 주변으로 확산되고 반응 속도가 충분히 빠르면 폭발이 발생할 수 있습니다. 약한 결합 물질의 반응 장벽이 낮다는 것은 반응을 시작하는 데 필요한 에너지가 적다는 것을 의미하므로 취급 방법이 보다 제한적입니다. 경우에 따라 취급 시 충격, 마찰 또는 불꽃으로 반응이 시작될 수 있으므로 이러한 물질은 화재나 폭발 방지를 위해 취급 시 훨씬 더 큰 주의가 필요합니다.

그 완벽한 예가 바로 아자이드화물(RN₃)입니다. 이 물질은 3개의 연결된 질소 원자가 다른 강도의 결합 구조를 갖고 있습니다. 질소 원자는 강한 결합 구조를 가질 수 있습니다. 질소 가스 분자(N₂)의 질소 원자 간 3중 결합은 알려진 가장 강력한 화학 결합 중 하나입니다. 그러나 질소 원자는 훨씬 더 약하지만 단일 결합 또는 2중 결합 구조를 가질 수도 있습니다. 아자이드화물의 질소-질소 결합 중 하나는 약한 결합이므로 해체에 많은 에너지가 필요하지 않아 빠른 분해와 함께 N₂가 생성됩니다. N₂의 질소-질소 결합은 아지드화물 반응 물질의 질소-질소 결합보다 훨씬 더 안정적이므로 이러한 분해로 많은 에너지가 방출됩니다.

무기 아자이드화물과 유기 아자이드화물은 감도가 다릅니다. 무기 아자이드화 나트륨은 일상적인 상태에서 안전하게 취급할 수 있지만 차량 에어백에서는 가스를 빠르게 발생시킵니다. 또한 아자이드화납과 같은 고휘발성 중금속 아지드는 폭발물 뇌관으로 사용됩니다. 유기 아자이드화물은 일반적으로 제약품, 중합체 등 보다 복잡한 화학 물질을 합성할 때 사용됩니다. 분자량이 작거나 질소(N) 대 탄소(C) 원자 비율이 높은 유기 아지드화물은 폭발성이 있으며 무기 아지드화물과 디클로로메탄 간 반응에 따른 저분자량 아자이드화물 형성으로 인한 실험실 폭발 사고가 여러 건 보고되었습니다. 변형된 단백질 준비에 사용되는 아자이드화물 변형 아미노산 또한 폭발성이 있는 것으로 알려져 있습니다.

과산화물(ROOR)은 폭발 가능성이 있는 또 다른 유형의 분자입니다. 과산화물은 약한 산소-산소 결합 구조로, 결합이 해체되면 화학 반응에 유용한 라디칼 중합체(자유 라디칼)가 생성됩니다. 라디칼 중합체는 중합 반응의 기폭제로 특히 유용하며 일반적으로 연소 과정에서 중합체로 발견됩니다. 소량의 라디칼만으로 촉매제 역할을 할 수 있으며 경우에 따라 라디칼 자체 형성의 촉매제 역할을 하기도 합니다. 또한 과산화물은 분해 과정에서 산소 분자(O₂)를 생성합니다. 산소-산소 단일 결합은 약하지만 O₂의 산소-산소 2중 결합은 강력하므로 이 분해 과정에서 에너지가 방출됩니다.

산소-산소 간 약한 결합은 과산화물이 쉽게 분해될 수 있음을 의미하며 결과적으로 자유 라디칼과 산소 방출로 인해 특히 농축된 상태에서 휘발성과 폭발성을 갖게 됩니다. 과산화물을 취급하는 화학 시설에서 큰 화재 사고가 여러 차례 발생한 바 있습니다. 허리케인 하비와 유례 없는 홍수로 안전 메커니즘이 붕괴된 미국 텍사스의 사례도 그중 하나입니다. 과산화물은 에테르가 산소에 노출될 때 자연스럽게 생성될 수도 있습니다. 이러한 과산화물은 결정체를 이루며 물리적 충격, 마찰 또는 특정 금속과 반응하면 폭발을 일으킬 수 있습니다. 에테르는 일반적으로 BHT(방부제로 사용되는 부틸히드록시톨루엔)와 같이 과산화물 형성을 방지하는 소량의 억제제로도 만들어집니다. 이러한 억제제는 산소와 반응하며 에테르를 장시간 산소가 있는 곳에 보관하면 과산화물이 만들어질 수 있습니다.

물질 안정성과 화재

자체적으로는 쉽게 분해되지 않지만 특정 조건에서 쉽게 반응하여 훨씬 더 안정적인 생성물을 만들 수 있는 결합 구조를 갖는 다른 물질도 있습니다. 새로운 결합이 만들어지면 에너지가 방출되어 열, 불 또는 폭발로 이어질 수 있습니다. 예를 들어 금속 알킬은 다양한 화학 물질와 일반 물질의 합성 과정에서 촉매제로 사용되지만 자연 발화되는 경우가 많아 공기와 접촉 시 쉽게 화재를 일으킬 수 있습니다.

특히 트리메틸알루미늄은 공기 또는 물과 반응하여 매우 안정적인 알루미늄-산소 결합의 생성물을 만들어내며 결과적으로 화재와 폭발을 일으킵니다.

아크릴산염은 공업용 중합 용도로 사용됩니다. 각각의 아크릴레이트 모노머가 고분자 사슬에 통합될 때 2중 결합을 추가 단일 결합으로 바꿉니다. 이 새로운 결합은 2중 결합의 누적 강도보다 강력하므로 중합 반응으로 에너지가 방출됩니다. 아크릴산염과 다른 알켄의 중합은 중합 반응을 일으키기 위해 과산화물과 같은 라디칼 개시제를 사용하는 경우가 많으며 그 반응성으로 인해 다른 환경에서도 폭발을 일으킬 수 있습니다. 대규모 중합 챔버에서 표면 면적 대 부피의 비율이 형성된 열을 분산시키기에는 너무 낮으며, 통제되지 않는 중합 반응의 억제제가 전소, 비활성화 또는 제거되면 아크릴산염이 중합 과정에서 폭발할 수 있습니다. 

마찬가지로 다이메틸설폭시화물(DMSO)과 같은 솔벤트는 산, 염기, 친전자체와 같은 다양한 물질과 반응하여 분해 온도를 낮출 수 있습니다. 안전해 보이는 더 낮은 온도에서 반응이 일어나더라도 폭발을 일으킬 수 있습니다.

현대 사회를 움직이는 중요한 원동력

화학은 에너지 변화가 그 기본 원리입니다. 인간은 수세기 동안 이 에너지를 이용하여 전세계를 여행하고 산업을 움직이고 의식주를 영위하는 데 도움을 받아왔습니다. 인간은 에너지를 얻기 위해 폭발성과 휘발성이 있는 화학 물질을 필요로 하지만 그 위력으로 예상치 못한 충격적인 결과를 맞이할 수 있습니다. 이 에너지를 건설적인 방법으로 활용하고 화학 물질이 예상치 못한 위험한 결과를 초래할 수 있는 조건을 정확하게 파악해 폭발 사고를 사전에 인지하고 예방할 수 있습니다.

질산암모늄과 그 위험성, 안전 규정에 대한 자세한 정보가 필요하면 CAS Insights 보고서 전문을 다운로드하거나 다양한 물질 형성 방법과 혁신 동향에 대한 주요 전문가의 의견을 들어볼 수 있는 CAS 웨비나를 시청하십시오.

지질 나노 입자(LNP)는 제약 산업의 다양한 치료법을 제공할 수 있는 유망한 수단으로 인기를 얻고 있습니다. LNP의 초기 버전을 기반으로 하는 리포솜 약제는 이미 승인을 거쳐 의료용으로 사용되고 있습니다. LNP는 캡슐화하여 인체 내 특정 위치로 전달할 수 있으며 그 내용물을 특정 시간에 배출할 수 있어 추가 약물 사용에 적합한 플랫폼 역할을 할 수 있습니다.

ACS Nano에 발표된 이 상호 심사 논문에서는 CAS 컨텐츠 컬렉션의 LNP 관련 간행물 동향을 세부적으로 분석했습니다. 또한 항암 치료, 핵의학 치료, 백신 투여 시스템 분야에서 LNP 활용의 성장 기회와 이 물질을 활용하기 위한 잠재적 과제를 논의합니다. 여기서 학술지 전문을 읽어보십시오.

최근 화학 분야의 AI 활용 사례가 급증하고 있습니다. AI 기술의 다양한 활용 사례는 널리 알려져 있지만 화학 분야에서의 사용과 발전 동향에 대한 심도 깊은 분석은 많지 않습니다.

Journal of Chemical Information and Modeling에 게재된 이 상호 심사 논문은 CAS 컨텐츠 컬렉션 내 AI 관련 화학 간행물의 증가와 분포를 연구합니다. 이 분야의 연구 규모는 2015년부터 급격히 증가했습니다. 이 논문은 또한 학제간 연구 동향, 특정 화학 연구 주제에서의 AI 연관성, 해당 분야에서 머신 러닝의 향후 역할에 대한 이해를 다룹니다. 여기서 학술지 전문을 읽어보십시오.

COVID-19 팬데믹은 전세계 연구원에게 질병 치료를 위한 효과적인 약물과 치료법을 찾아야 한다는 동기 부여의 계기가 되었습니다. 시간 절약을 위해 다른 질병을 치료하는 기존 약물을 토대로 신약을 개발하는 데 많은 노력이 집중되었습니다. CAS 생의학 지식 그래프는 COVID-19 치료를 위한 신약 개발에 활용할 수 있는 약물을 식별하기 위한 목적으로 제작되었습니다.

Journal of Chemical Information and Modeling에 게재된 이 상호 심사 논문은 이 그래프와 연구 결과를 자세히 설명합니다. 논문에는 분자 기능과 임상 시험에 따른 다양한 분자 분석 결과가 소개되어 있습니다. 이 그래프는 COVID-19와 함께 다양한 질병과 관련된 혁신과 연구를 가속화할 수 있는 기회를 제공합니다. 여기서 학술지 전문을 읽어보십시오.

생물 직교 화학은 비원시(non-native) 작용기 화학을 사용하여 살아 있는 유기체의 생명 작용을 분석하는 방법입니다. 이 방법을 사용하면 전통적으로 실험실에서 이루어지는 유기 합성을 살아 있는 세포에서 수행할 수 있습니다. 이 방법은 실험실 환경처럼 많은 양의 물질을 준비하지 않고 생체 분자를 공유 결합 방식으로 규정합니다.

Bioconjugate Chemistry에 발표된 이 상호 심사 논문은 생물 직교 방법에서 가장 일반적으로 사용되는 반응과 그 장단점, 다른 발표 문헌에서의 참조 빈도를 다룹니다. 이 연구는 또한 CAS 컨텐츠 컬렉션의 다른 생물 직교 연구를 분석하여 생물 직교 화학 분야에서의 특정 물질 연구 방식을 확인합니다. 여기서 학술지 전문을 읽어보십시오.

2022년에 들어서면서 전세계적으로 가장 주된 관심사 중 하나는 기후 변화입니다. 이제 부정적인 기후 변화의 주요 원인 중 하나가 화석 연료 연소라는 사실은 잘 알려져 있습니다. 석탄, 석유와 같은 화석 연료는 연소 과정에서 많은 양의 이산화탄소를 밖으로 배출하며, 결과적으로 대기 중에 열이 갇히면서 지구 온난화의 원인이 됩니다. 

장바구니, 자동차 범퍼, 심지어 의류까지 수많은 제품에 사용되는 플라스틱은 전통적으로 석유에서 나온 합성 고분자가 그 재료입니다. 이러한 고분자의 원료는 원유 정제 과정에서 직접 얻거나 정제 제품에서 합성됩니다. 현재 플라스틱 제조 공정에서 전세계 원유 공급량의 8~10%를 소비하며 이 수치는 2040년까지 두 배로 늘어날 것으로 추정되고 있습니다.

석유화학제품과 전통적인 플라스틱의 제조는 아직도 전적으로 원유에 의존하고 있으며 재생 불가능한 이 자원은 지구에서 빠른 속도로 고갈되고 있습니다. 플라스틱과 관련된 문제는 너무나 많습니다. 자원 고갈 문제를 고려할 때 전통적인 플라스틱 생산은 결국 중단되어야 합니다. 이러한 생산 방식은 생태계를 파괴합니다. 또한 많은 플라스틱 제품은 재활용이 불가능해 엄청난 양의 쓰레기가 생길 뿐만 아니라 올바른 방식으로 폐기/재활용되지 않을 경우 더 큰 피해를 야기합니다.

보통 사람의 경우 일회용 플라스틱 제품 사용과 포장 폐기물을 줄이고 책임감 있는 재활용 노력을 실천함으로써 '생태 발자국'을 줄이고 환경 보호에 도움을 줄 수 있습니다. 제조업체 또한 플라스틱 제품 개발에 있어 석유의 대체제, 예를 들어 합성 소재 대신 생물 고분자 물질을 선택함으로써 '생태 발자국'을 줄일 수 있습니다.

"생물 고분자"는 원형에 관계없이 생분해성 또는 생체적합성 고분자를 설명할 때 사용되기도 하지만 이 블로그에서는 생물 유래(bio-derived) 고분자, 즉 바이오매스에서 만들어진 고분자만을 의미합니다. 이 물질은 재생 가능 자원이 원료이며 대기 중 이산화탄소를 고정시켜 온실가스 배출량을 줄여줍니다. 많은 생물 고분자는 또한 생분해가 가능하여 다양한 방법으로 제품을 폐기하고 재활용할 수 있습니다.

생물 고분자 유형

생물 고분자는 소재와 생산 방법을 기준으로 다음과 같이 세 가지 기본 등급으로 분류됩니다.

• 등급 A: 전분, 셀룰로스, 단백질, 아미노산, 파생물과 같은 바이오매스에서 직접 얻은 천연 고분자
• 등급 B: 미생물과 식물을 사용하여 생물학적으로 합성되거나 폴리히드록시알카노에이트(PHA), 폴리 젖산(PLA)과 같이 대부분 생물학적으로 합성된 단량체에서 직접 준비된 고분자
• 등급 C: 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 같은 대체 생물 근원 단량체에서 얻는 종래의 석유 기반 고분자

각 생물 고분자는 등급마다 포장재, 농업 또는 수술에 필요한 생체 적합 재료 등 상업적 용도가 다릅니다.

• 등급 A 및 B 고분자는 모두 생분해가 가능하고 대부분 친환경적이지만 석유로 만든 플라스틱에 비해 성능이 낮아 일반적으로 보강 충전제 또는 충격 조절제와 함께 사용됩니다.
• 등급 C 고분자는 구조적으로는 석유로 만든 플라스틱과 유사하지만 대부분의 경우 생분해가 불가능하여 동일한 폐기 및 재활용 문제가 있습니다.

생물 고분자의 흡수 증가에는 비용 문제가 뒤따릅니다. 발효율 및 효율성을 높이거나 생물 고분자 생산 과정을 유기 폐기물 공정을 갖춘 식품 제조 공장 또는 시설에 통합하는 것을 목표로 하는 이니셔티브를 통해 높은 제조 비용을 줄이려는 시도를 하고 있지만 아직까지도 비용이 주요 장애물입니다.

생물 고분자의 주요 용도

상업용 바이오플라스틱은 주로 포장에 사용됩니다(표 1). 전분과 PLA는 저렴한 비용으로 인해 가장 많이 제조되는 바이오플라스틱입니다. 반면에 PHA는 생산 비용이 높아 제조 수량이 훨씬 더 적습니다.

표 1. 주요 상업용 생물 고분자의 생산량과 용도

친환경 노력 사례: Coca-Cola PlantBottle™

생물 고분자와 관련된 지속 가능한 혁신은 이미 수십년 동안 막후에서 진행되어 왔지만 이러한 앞선 노력은 기사거리가 되지 않거나 주요 기업이 신제품을 발표할 때까지 공개되지 않는 경우가 많습니다.

2015년 여름, Coca-Cola Company가 재생 가능 자원으로만 만든 세계 최초의 플라스틱 병, PlantBottle™ 패키징을 새롭게 발표했습니다. 이 병은 전통적인 플라스틱으로 만든 병과 외관, 기능이 같고 재활용도 가능하지만 석유를 사용하지 않았다는 점에서 환경에 미치는 영향이 현저히 적습니다. 이러한 발표는 생물 고분자의 지속적인 개발과 주류 제품에 이 물질을 채택하려는 전세계인 노력에 동기를 부여합니다.

생물 고분자에 대한 오해와 진실

생물 고분자에 대한 대중의 인식 또한 이러한 제품을 폭넓게 구현하는 데 있어 중요한 요소입니다. 전통적인 플라스틱을 대체하기 위한 이 지속 가능한 노력의 큰 이점은 잘 알려져 있지만 동시에 비판도 존재합니다. 이러한 비판은 당연히 오해와 혼란에서 비롯되는 경우가 많지만 가장 자주 논의되는 주제와 그에 대한 CAS의 의견이 표 2에 정리되어 있습니다.

표 2. 생물 고분자에 대한 오해와 진실.

PBAT = 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트; PBS = 폴리부틸렌숙시네이트; PLA = 폴리 젖산.

생물 고분자 연구 동향

생물 고분자 연구는 최근 수년 간 활발히 진행되고 있으며 2019년 10대 신기술 중 하나로 선정되었습니다. CAS Content Collection™(그림 1)을 보면 원유 가격 변동과 지속 가능성 향상 및 기후 변화 문제 해결을 위한 전반적인 노력에 끊임없이 대응하면서 지난 20년 동안 관련 연구와 혁신이 계속되었음을 알 수 있습니다. 학술지와 특허 모두 처음에는 천천히 증가했지만 2009년 경부터 비슷한 속도로 빠르게 증가했습니다. 2014년 즈음에는 특허 출원 수의 증가 속도가 학술지의 급격한 증가에 비해 상대적으로 느려졌으며 학술지의 빠른 증가 추세는 2020년까지 이어졌습니다.

생물 고분자는 주로 화석 연료 기반 플라스틱의 재생 가능 대안 물질로 개발되므로 화석 연료로 만든 플라스틱의 가격이 크게 상승하면 생물 고분자의 경쟁력이 올라가는 것과 함께 연구원과 발명가들의 열정과 자신감도 높아집니다. 플라스틱 가격은 원유 가격과 밀접한 관계가 있습니다. 2000년대 중반 이후 원유 가격이 크게 오르고 2008년에는 전례 없는 유가 폭등을 경험했는데 특히 2008년 즈음 특허 출원 수 곡선에서 명확하게 나타난 변곡점이 이러한 관계를 뒷받침해 줍니다. 2014년 이후 유가가 하락하면서 생물 고분자 제작 비용이 상대적으로 다시 증가했으며 이는 발명가들의 사기를 저하시켰을 것이고 같은 해에 특허 출원 수가 감소하는 원인이 되었습니다.

CAS Insights 보고서를 읽고 다양한 생물 고분자의 유형별 이점, 한계, 인기도와 이 전통적인 플라스틱 대안 물질에 대한 연구 개발 관심이 지난 20년 동안 어떻게 변화되어 왔는지 알아보십시오.

화학 연구는 위험을 고려해야 하며 전세계 실험실에서 많은 사람들이 작업하는 만큼 아주 작은 안전 사고라도 모이면 그 영향이 커지게 됩니다. 조직마다 사고 방지를 위한 전략을 갖고 있지만 수집된 안전 데이터가 항상 일상 작업에서 쉽게 활용할 수 있는 방식으로 보관되는 것은 아닙니다. 과학자들이 사용하려는 화합물에 대한 자료를 찾기 위해 수천 건의 과거 안전 보고서를 모두 읽어보는 것은 불가능합니다.

실험실에서 안전 사고가 자주 발생하는 것을 종종 목격할 수 있습니다. 저 또한 이전 직장의 실험실에서 발생한 한 사건을 기억합니다. 그 사건은 결국 전체적인 접근법을 변화시킨 계기가 되었습니다. 특허에 문서화된 반응을 실험하기 위해 트리플루오로아세트산과 수소화붕소나트륨을 혼합하여 소듐 트리플루오로아세톡시보로하이드라이드를 중단하는 작업이었습니다. 결국 NaBH4 분말이 빠른 속도로 용해되어 통제 불가능한 반응과 그에 따른 화재가 발생한다는 사실이 밝혀졌습니다. 펠러타이징된 NaBH4였다면 폭발 반응이 더 작았을 것입니다.

이 사건은 부서 안전 브리핑에 보고되었지만 내용이 전혀 공유되지 않았고 4년 후 같은 사건이 다시 발생했습니다. 저는 다른 과학자들이 기존 안전 정보를 활용하여 위험한 상황을 실제로 경험하지 않을 수 있는 방법이 없을지 고민했으며 그 결과, 과거의 안전 자료를 실험실의 일상적인 워크플로에 직접 통합해 이러한 유형의 방지 가능한 사건을 사전에 예방할 수 있는 실질적인 방법이 필요하다는 결론을 얻었습니다. 그렇다면 효과적인 방법은 실제로 어떻게 구현될 수 있을까요?  

필요한 시점의 안전 정보 제공

기존 정보를 활용하려면 안전 정보를 수집하고 실험실 프로세스에 추가할 수 있는 방법을 찾아내야 하며 그러한 연결 작업이 화학자들에게 또 다른 업무 부담을 주어서는 안 됩니다. 이때 고려해야 할 세 가지 변수는 공유할 정보, 전달 시점, 전달 방법이었습니다.

가치 흐름 매핑 방식으로 화학자 워크플로를 분석하여 안전 정보가 필요한 시점과 실제로 정보를 얻은 시점의 차이를 파악했습니다. 일반적으로 화학자는 반응을 설계하고 재료를 조달하며 마지막으로 결과물을 합성합니다. 따라서 효과를 극대화하기 위해서는 필요한 안전 정보를 결과물 합성 직전에 제공해야 한다는 사실이 명확해졌습니다.
 
또한 안전 데이터 시트, 기관 메모리와 같은 여러 소스의 정보를 ELN(Electronic Lab Notebook)에 공급할 수 있다는 사실도 알게 되었습니다. 과학자가 특정 화합물 사용 계획을 입력하면 “주의하세요(Hey, be careful)!”라는 시스템 팝업이 나타나고 이중 장갑 착용 또는 안전 스크린 추가와 같은 관련 지침을 제공할 수 있습니다. 또한 화학자가 잠재적으로 문제를 일으킬 수 있는 반응 실험을 계획하면 안전 부서에 해당 내용을 이메일을 통해 전달해 모범 사례를 기반으로 한 선제적 조언을 제공하고 대안을 모색할 수 있습니다.

더 넓은 커뮤니티로의 아이디어 확장

이러한 시스템 구현으로 반복 사고가 더 이상 일어나지 않았습니다. ELN을 활용하여 합성 시점에 안전 사안을 정확하게 경고하는 방법이 성공적인 전략으로 입증되었습니다. 이는 연구원들에게 희소식이었습니다.

안전은 모든 화학 시험실에서 실무 과학자, 부서, 조직 전체에 가장 중요한 항목입니다. 이 시스템을 성공적으로 구현한 후 전체 과학 커뮤니티로 같은 전략을 확장시켰으며 모든 화학자들이 도움을 받을 수 있었습니다. 그러나 시스템 효과를 극대화하기 위해서는 더 많은 안전 정보가 필요했습니다. 즉 모든 제약 회사가 내부 안전 데이터를 공유하기 위해 사용할 수 있는 시스템이 필요했으며 그러한 시스템을 구축할 수 있는 조직과의 협력 기회를 모색했습니다. 목표는 화학 안전 정보를 제공하기 위한 예비 크라우드소싱 도구를 개발하는 것이었습니다.

Pistoia Alliance는 생명 과학 연구 개발의 혁신을 촉진하기 위해 노력하는 비영리 회원제 단체입니다. 2017년, 이 조직은 제가 이전에 구현한 시스템을 토대로 Chemical Safety Library(CSL)에 대한 예비 프로그램을 시작했습니다. 이 프로그램의 목적은 화학 분야에서 제출된 안전 사고 정보를 수집하고 완성된 데이터베이스를 커뮤니티에 무료로 제공함으로써 안전 사고 방지에 도움을 주는 것이었습니다. 프로토타입이 공개되자마자 이러한 유형의 데이터 수집에 대한 폭발적인 커뮤니티 관심을 확인할 수 있었습니다. 그러나 사고 정보를 데이터 수집에 사용하는 것을 꺼려하는 반응도 있었습니다. 이유는 다양했지만 주로 문제의 소지에 대한 부담, 기밀 유지 문제, 데이터 입력의 복잡성이 문제였습니다.

그러나 요구는 명확했고 더 많은 기여자가 참여한다면 그 영향력은 더 커질 수 있었습니다. Pistoia Alliance는 이러한 자료의 가용 범위를 확대하고 참여를 방해하는 제한 요인을 해결하기 위해 미국화학학회 사업부이자 과학 정보 솔루션 전문 조직인 CAS와 협력하여 지난 해 10월 새로운 Pistoia Chemical Safety Library를 공개했습니다. 새로운 CSL 플랫폼을 개발하고 호스팅하고 있는 CAS는 새롭게 구현된 CSL로 알려진 문제를 해결할 수 있는 중요한 정보 관리, 기술 및 보안 전문성을 제공하고 있습니다. 효율적이고 간편한 데이터 입력이 가능해졌으며 사용자는 데이터 이용 시 개인 정보 보호에 대한 확신을 가질 수 있습니다. 또한 엔터프라이즈 ELN처럼 전체 데이터베이스를 조직이 내부 용도로 통합하여 사용할 수도 있습니다. Pistoia Alliance, CAS 및 학계와 산업계를 포함하여 광범위한 화학 커뮤니티의 대표로 구성된 CSL 자문 위원회에서 커뮤니티 구성원 가입을 심사하고 정책 및 시스템 개선에 대한 자문을 제공하기도 합니다.

커뮤니티 기여

이 방대한 리소스를 공개하게 되어 매우 기쁘게 생각합니다. 글로벌 화학 커뮤니티 전체에서 안전 정보를 수집하여 배포할 수 있는 최초의 기술입니다. 이 정보 컬렉션에 대한 크라우드소싱 노력이 성공을 거둔다면 반응 사건을 줄이고 전세계 수만 명의 화학자가 이용하는 실험실을 보다 안전한 환경으로 만들 수 있을 것입니다.

CAS가 제공하는 새로운 CSL은 공개 후 이미 전세계 96개국의 8,000명이 넘는 사용자가 이용하고 있습니다. 이제 여러분도 결정할 때입니다. 안전한 실험실을 만들 수 있는 방법을 CSL에서 확인하실 수 있습니다. 사고나 위험한 상황에 처한 경험이 있다면 CSL에 내용을 입력하여 전세계 연구원들과 경험을 공유하시기 바랍니다.

보다 안전한 실험실 환경을 만드는 데 도움을 주십시오! CSL에 안전 데이터 공유하기