과학기술정보통신부(장관 유영민)와 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철)은 첨단연성물질 연구단 바르토슈 그쥐보프스키(Bartosz Grzybowski) 그룹리더(UNIST 자연과학부 특훈교수) 연구팀이 나노입자¹⁾로 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 계면활성제는 전기장, 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.

논문의 주요 내용은 다음과 같다.

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.