[뉴스스페이스=이은주 기자] 인공지능이 제시한 신소재 혁신 공식이 플라스틱 산업에 지각변동을 예고했다.

미국 MIT와 듀크 대학교 공동 연구팀이 AI와 기계학습을 활용, 기존 소재 대비 최대 4배 더 강한 플라스틱을 생산할 수 있는 신형 가교결합 분자(크로스링커)를 개발했다. 연구팀은 2025년 8월 5일(현지시간) 공개된 ACS Central Science 연구 논문을 통해 “AI가 발견한 ‘약한 고리(mechanophore)’ 도입이 강도와 환경성을 동시 혁신했다”고 밝혔다고 글로벌 과학 전문매체 Phys.org, Plastics Engineering 등이 보도했다.

인공지능, 플라스틱의 ‘DNA’를 다시 쓰다

기존의 플라스틱 소재 강화법은 ‘강한 결합일수록 소재 전체의 내구성도 강하다’는 통념에 기대왔다. 그러나 MIT와 듀크 연구팀은 AI를 활용해 이 통념의 허점을 비틀었다.

팀은 약 400종의 철 함유 화합물(페로센·ferrocene) 데이터를 토대로 딥러닝 모델을 훈련, 케임브리지 구조 데이터베이스에 등록된 1만1000여개 후보 중 인장 저항성을 대폭 높이는 핵심 구조 2가지를 도출했다. 특이하게도, 인공지능이 추천한 것은 ‘상대적으로 부피가 크고 약한 결합을 가진 분자 부착물’이었다.

이러한 역발상 접근은 2023년 선행 연구에서도 첫 실마리가 드러났다. 폴리머 네트워크 내에 고의로 ‘약한 크로스링커’를 삽입하면, 균열이 강한 부분을 피해 약한 결합을 따라 전파되면서, 오히려 더 많은 결합 에너지를 소모하고 최종적으로 전체 내구성이 강화된다. 이는 기존 소재 공학 상식에선 쉽게 떠올릴 수 없는 반전 결과다.

4배 강한 플라스틱, 실험실서 ‘실증’

프로그래밍된 AI로 선별된 100여 종의 유망 메카노포어(기계적 스트레스 반응 분자) 중, 듀크대 크레이그 교수팀은 대표 후보인 ‘m-TMS-Fc’를 실제 폴리머에 적용해 실험했다. 테스트 결과, 이 AI가 선택한 약한 크로스링커를 쓴 폴리아크릴레이트 플라스틱은 기존 표준 페로센 소재로 만든 플라스틱 대비 ‘약 4배’ 더 높은 내구성과 인열저항성(tear-resistance)을 보였다. 실험은 시료에 힘을 가해 파단이 발생할 때까지 반복 측정해 얻었다.

환경·산업적 파장…플라스틱 생산량 감축 가능성

AI-신소재 융합의 파장은 환경문제 해법으로도 주목받는다. 일리아 케블리시빌리 MIT 박사후연구원(연구 주저자)은 “플라스틱이 4배 더 오래 가면, 장기적으로 생산량 자체를 줄일 수 있다”며 “더 강한 플라스틱은 제품 교체주기를 획기적으로 늘리고, 플라스틱 폐기물·미세플라스틱 문제 완화에도 기여할 수 있다”고 설명했다.

세계 플라스틱 생산량은 2023년 기준 약 4억1380만톤으로 대기, 해양, 토양 내 누적 폐기물이 주요 환경 위기로 부상하는 상황이다.

뿐만 아니라, 이번 AI소재 연구는 산업용 소재 강화, 항공·자동차·의료용 내구 재료 개발은 물론, 특정 스트레스 상황에서 색이 변하는 ‘지능형 센서소재’, 외부 힘에 반응하는 ‘스위처블 촉매’ 및 차세대 바이오의약품 전달체 등으로 산업적 확장이 용이하다는 점에서도 평가받고 있다.

‘노벨상급 물질설계 혁신’…AI의 한계와 기회

현장 과학전문가들은 “이번 성과는 AI의 연산력, 데이터 기반 예측력, 합성화학 노하우, 실험실 검증의 3박자가 융합된 대표적 사례”라 평가한다. MIT와 듀크 연구팀은 앞으로도 다양한 메카노포어 후보 발굴 및 환경친화, 스마트 기능성 신소재까지 연구 범위를 확대한다는 계획이다.