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액체방울 자유롭게 조종하는 나노 계면활성제 발명 게시판 상세보기
제목 액체방울 자유롭게 조종하는 나노 계면활성제 발명
보도일 2018-01-11 03:00 조회 157
연구단명 첨단연성물질 연구단
보도자료 hwp 파일명 : 180110_[보도자료]_액체방울 자유롭게 조종하는 나노 계면활성제 발명(기초과학연구원_Nature)_최종.hwp 180110_[보도자료]_액체방울 자유롭게 조종하는 나노 계면활성제 발명(기초과학연구원_Nature)_최종.hwp
첨부 zip 파일명 : 170110_그림 및 사진 설명.zip 170110_그림 및 사진 설명.zip

액체방울 자유롭게 조종하는 나노 계면활성제 발명

- 세계 최초 나노입자 계면활성제...
자기장·빛·전기 모두 반응, 약물 전달에 응용 기대 -

과학기술정보통신부(장관 유영민)와 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철)은 첨단연성물질 연구단 바르토슈 그쥐보프스키(Bartosz Grzybowski) 그룹리더(UNIST 자연과학부 특훈교수) 연구팀이 나노입자1)계면활성제2)를 만드는데 성공했다고 밝혔다.

  • 계면활성제는 비누, 세제, 샴푸 등 생활용품에 널리 사용되는 화학물질이다. 한 분자 안에 물에 잘 붙는 부분과 기름에 잘 붙는 부분이 함께 존재한다. 한 쪽은 물을 끌어당기고(친수성) 다른 쪽은 기름을 끌어당기는 특성(소수성)3) 때문에 기름과 물이 섞여 있을 때, 계면활성제를 사용하면 물만 분리(액체방울 형태)해낼 수 있다.
  • 이와 같이 계면활성제의 물질을 분리(운반)하는 기능을 활용해 특정 물질(약물 등) 전달이 가능하기 때문에 차세대 의학재료로 주목받고 있다. 특히 액체방울을 조절하는 기술은 제약, 화학 연구 전반에 사용되어 질병 진단, 신약 개발 등에서 활용이 가능하다.

기존에 액체방울을 조절하는 기술은 분자 계면활성제에 의존해 왔다. 계면활성제로 둘러싸인 액체방울을 외부 자극에 반응하도록 분자를 설계하는 방식이었다. 그러나 분자의 화학구조를 설계해 만들다보니 두 가지 이상의 자극에 반응하도록 만드는 데 어려움이 컸다.

  • 예를 들어 1987년에는 온도에 따라 변하고, 2012년에는 자기장으로 조종되는 계면활성제가 개발되었다. 빛, 산화-환원 반응 등에 각기 반응하는 계면활성제는 있었지만 다양한 자극에 동시에 반응하는 계면활성제 개발에는 한계가 있었다.

이에 IBS 연구팀은 다양한 자극으로 액체방울을 조종할 수 있는 나노입자 계면활성제(이하 나노 계면활성제)를 세계 최초로 발명하였다.

  • 나노 입자의 경우 표면 성질에 따라 박테리아를 죽이거나 효소를 운반하는 등 다양한 기능을 갖기 때문에, IBS 연구진은 나노 계면활성제를 사용해 기존의 분자 계면활성제 보다 다양하고 복합적인 기능을 구현했다.
  • 나노 계면활성제전기장, 빛, 자기장에 모두 반응하도록 설계되었으며,
  • 자기장과 빛으로 액체방울의 위치와 움직임, 회전속도를 조절할 수 있고, 전기장으로는 액체방울들을 결합할 수 있다.
  • 액체방울을 움직이거나 결합하는 등 자유롭게 조종할 수 있는 도구를 개발한 만큼 살아있는 세포를 액체방울에 가둬 배양을 하거나 세포 내 효소 반응을 액체방울로 재현하는 등 특수한 환경이 필요한 제약 · 생물학 · 의학 분야에서 폭넓게 응용될 것으로 보인다.

연구결과는 국제적인 학술지 네이처4)(Nature, if 40.137)에 한국시간 1월 11일(목) 새벽 3시에 게재(온라인)되며, 논문명과 저자는 다음과 같다.


논문 및 저자정보
논문명/저널명 Systems of mechanised and reactive droplets powered by multiresponsive surfactants/ Nature
저자정보 Zhijie Yang(공동 제 1저자, 기초과학연구원), Jingjing Wei(공동 제 1저자, 기초과학연구원),
Yaroslav I. Sobolev(제 2저자, 기초과학연구원), and Bartosz Grzybowski(교신저자, 기초과학연구원)

논문의 주요 내용은 다음과 같다.

1. 연구의필요성

  • ‣ 계면활성제는 물과 기름의 경계면에 끼어들어, 표면장력을 낮추고 둘을 잘 섞이게 하는 물질이다. 흔히 액체가 사용되는 공정에서 유화제로 이용된다. 또한 계면활성제로 둘러싸인 액체방울은 독립적으로 제 기능을 할 수 있다. 이러한 계면활성제의 성질은 약물전달과 화학 반응을 다룰 수 있는 기술로 기대되어 전 세계적으로 많은 투자와 연구가 이뤄지고 있다.
  • ‣ IBS 연구진은 액체방울을 근본적인 수준에서 조절하는 강력한 도구를 만들고자 연구에 돌입했다. 기존에 많은 연구가 이뤄져 있는 나노 입자를 이용해 새로운 계면활성제를 만든다면 계면활성제 연구에 새로운 변화를 가져올 수 있을 거라 기대했다.

2. 연구 내용

  • ‣ 연구진은 물이 붙는 친수성 부분에 6nm 크기의 금(Au) 나노입자를, 기름이 붙는 소수성 부분에는 12nm 크기 산화철(Fe3O4) 나노입자를 사용해 눈사람 모양의 나노 계면활성제를 만들었다.
  • ‣ 나노 계면활성제는 자기장과 전기장, 빛에 반응한다. 나노 계면활성제에 둘러싸인 액체방울은 외부 자극으로 이동, 조립, 회전, 결합 등이 가능하다.
      - 연구진은 가장 먼저 자기장에 반응하는지 실험을 진행했다. 물과 기름이 섞여 있는 수조에 자성을 띤 나노 계면활성제를 넣고, 수조에 자석을 갖다 대자 계면활성제에 둘러싸인 물방울들이 자석에 따라 움직임을 보였다. 연구진은 자성을 띤 계면활성제와 자성이 없는 계면활성제(금 나노입자+황화납 나노입자)를 일정 비율로 섞으면 액체방울의 자성의 세기도 조절할 수 있다고 설명했다.
      - 다음으로 레이저 빔을 사용해 빛에 대한 반응을 확인했다. 나노 계면활성제로 싸인 액체방울에 레이저 빔을 쏘면 액체방울들은 회전하면서 육각형 구조를 만든다. 빽빽하게 조립된 육각 구조의 액체방울은 레이저 빔이 꺼지면 흩어진다. 이는 대류 현상5)때문인데, 이를 이용해 레이저를 쏘는 부분에 따라 회전 속도와 회전 방향도 조절해 톱니바퀴처럼 움직이도록 조종할 수도 있다.
      - 마지막으로 연구진은 강력하고 짧은 전기장을 가했다. 전기가 흐르자 액체방울들은 통로를 만들어 서로 합쳐지며 액체를 교환했다. 나노 계면활성제가 순간적으로 위-아래로 분리되면서 가운데 빈틈으로 통로가 생긴 것이다. 이 결합 과정에서 액체방울들은 타원형 모양이 생기는데, 이 특성을 활용해 전기장을 조절하면 특수한 모양의 액체방울을 만들 수 있다.

3. 연구 성과

  • ‣ 이번 연구는 계면활성제 분야에서 획기적인 기술적 진전을 이뤘다고 평가할 수 있다. 분자보다 민감하면서 다양한 성질을 갖고 있는 나노입자를 재료로 활용했다. 나노입자로 계면활성제를 구현했다는 데 큰 강점이 있을 뿐만 아니라 기존에 개발된 계면활성제의 기능들을 하나로 통합해 반응하는 계면활성제를 개발했다는데 큰 의의가 있다.
  • ‣ 화학 및 생물학 연구에 폭넓게 사용되는 ‘미세 유체 방울’ 시스템을 확장하는 데 큰 도움이 될 것으로 예상된다. 압력으로만 조절했던 기존 시스템에 계면활성제를 새로운 도구로 쓸 수 있다. 또한 향후 액체방울을 이용하는 공정 및 연구에 도움이 될 것이다.

이번 연구를 이끈 바르토슈 그쥐보프스키 그룹리더는 “나노 계면활성제로 만들어진 액체방울은 세상에서 가장 작은 화학공장이라 할 수 있다”라며, “액체방울에서 일어나는 화학반응을 조절할 수 있어 앞으로 응용성이 크다”고 전망했다.

그림설명


▲ [그림 1] 나노 계면활성제의 구성액체방울을 둘러싼 나노 계면활성제는 나노입자로 만들었다. 연구진은 금(Au)에 친수성 분자를 붙인 친수성 나노입자(노랑)와, 산화철(Fe3O4) 혹은 황화납(PbS)6)에 소수성 분자를 붙인 소수성 나노입자(파랑)를 결합했다. 이 때 소수성 입자 부분이 산화철이면 자성에 반응하고, 황화납이면 자성에 반응하지 않는다. 자기장을 실험을 제외한 실험에는 모두 산화철이 들어간 계면활성제가 쓰였다.


▲ [그림 2] 자기장에 반응하는 액체방울파란색 원은 자성에 반응하는 나노 계면활성제로 둘러싸인 액체방울이다. 접시 밑에 자석을 갖다 대면, 그림과 같이 액체방울이 자석 위로 모인다. 자기장을 이용하면 액체방울을 이동할 수 있다.


▲ [그림 3] 레이저 주위로 모이는 나노 계면활성제에 싸인 액체방울(A) 나노 계면활성제로 둘러싸인 액체방울이 레이저를 비춘 지점으로 모인다. 약 8초 후에는 육각형을 이루며 압축적으로 조립된다. 액체방울이 레이저를 향해 움직이는 것은, 나노입자가 빛을 흡수하고 액체를 데워 만드는 대류때문이다. (B) 대류현상으로 인해 액체방울이 회전하는데 맞닿은 액체방울들이 톱니바퀴처럼 맞물려 돌아간다.


▲ [그림 4] 전기장이 나노 계면활성제 액체방울을 결합하는 원리나노 계면활성제에 싸인 액체방울에 짧고 강한 전기장을 가하면 액체방울 간 결합을 시킬 수 있다. 외부 전기장으로 인해 나노 계면활성제가 순간적으로 위아래로 몰리면 가운데 부근에서 통로가 생성된다. 이 틈으로 내부 액체들이 연결되면서 섞이는 원리다.


▲ [그림 5] 결합된 나노 계면활성제 액체방울 내부의 화학 반응연구진이 개발한 나노 계면활성제는 자기장, 빛, 전기장에 모두 반응하는 강점이 있다. 연구진은 이 세 가지 종류의 자극을 활용해 액체방울 간 결합을 시도했다. 먼저, 자기장으로 액체방울을 옮기고 정렬시킨 뒤 전기장을 가했다.(1,2) 액체방울 간 생긴 틈으로 액체 교환이 이뤄지고 있다. 여기에 레이저빔을 가해 틈을 벌리는 방식(3)으로 액체 교환을 더 활발하게 이뤄지도록 했다. 레이저는 또한 대류작용으로 내부가 더 잘 섞일 수 있게 한다. 내부의 구리, 요오드 용액 등이 화학반응을 하면서 생기는 색깔을 볼 수 있다.

1) 나노입자 : 나노 크기의 금속 입자에 고분자 중합체(polymer)를 빽빽이 붙여 만든다. 중심이 되는 금속과 중합체 종류에 따라, 크기에 따라 성질이 달라진다.

2) 계면활성제 : 물과 기름의 경계면에 끼어들어, 표면장력을 낮추고 둘을 잘 섞이게 하는 화학물질이다. 비누, 세제 등 우리 일상에 매우 넓게 쓰이는데 옷에 붙은 기름때에 계면활성제가 달라붙어, 옷으로부터 기름을 분리시켜 기름방울이 물에 부유하도록 만든다. 친수성과 소수성을 동시에 갖고 있어 유화제 역할과 독립적인 액체방울을 만들 수 있다. 이 때문에, 액체를 사용하는 많은 화학 공정과 의학/화학/생물학 분야의 특수한 실험환경에 쓰이고 있다.

3) 친수성/소수성 : 물에 잘 섞이면 친수성, 물과는 섞이지 않고 기름과 잘 섞이면 소수성이 있다고 한다. 물은 분자 구조가 비대칭이라서, 전기적으로 극성을 갖는다. 따라서 마찬가지로 극성인 분자가 물에 잘 섞인다. 반면 기름은 분자 구조가 대칭이라 전기적으로 극성을 띠지 않는다.

4) Nature 誌 : 세계적인 출판그룹인 미국의 Nature Publishing Group에서 발행하는 최고 권위의 학술지. 생물학, 물리학, 화학 등 기초과학 분야의 연구 내용을 담고 있다. (IF = 40.137 (2016년 기준)

5) 대류 : 따뜻한 공기는 위로, 차가운 공기는 아래로 내려가는 것을 말한다. 차가운 유체는 밀도가 높아서 가라앉고 따뜻한 유체는 밀도가 낮기 때문에 위로 떠오른다.

6) 산화철(Fe3O4)과 황화납(PbS) : 자석을 접근시키면 철은 끌리고 납은 끌리지 않는다. 같은 금속이라도 자화율이 다르기 때문이다. 연구진은 이러한 금속의 성질을 이용해 나노입자를 달리 써 자석에 끌리는 계면활성제와 자석에 끌리지 않는 계면활성제를 만들었다.

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