478 Polymer Science and Technology Vol. 17, No. 4, August 2006
새로운 고분자/그래펜 쉬이트 나노복합재료
미국의 과학자들은 고분자 매트리스에 단일 원자 두께의 탄소 필 름인 그래펜 쉬이트(grapheme sheets)가 충진된 새로운 형태의 고 분자/그래펜 쉬이트의 나노 복합재료를 개발하였다[Nature, 442, 282]. 이 복합재료는 전기전도성이 있으며 새로운 미세전자소자 또 는 회로, 항공기나 코팅재 등에 응용이 기대되고 있다.
그래펜은 우수한 전기전도성을 가지지만 구겨지기 쉬운 특성으 로 인해 단일 쉬이트로 제조하기가 어렵다. 다층의 그래펜쉬이트로 구성되는 그래파이트는 연질이고 부서지기 쉬워 탄소나노튜브와 같 은 기계적 강도를 가지지 못한다. 그래펜을 고분자 매질에 충진시 키면 보다 유용한 소재를 제조할 수 있으나 쉬이트간 인력이 매우 커서 단일 쉬이트들을 고분자용액에 분산시키기는 불가능한 것으 로 알려져 있었다. Northwestern University의 Rodney Ruoff 연구팀은 이러한 문제를 극복하는 새로운 기술을 고안해내었다. 연 구팀은 우선 수용액 중에서 그래파이트를 그래파이트 옥사이드로 전환하였다. 이 공정은 그래파이트 표면에 산소를 함유한 화학적 그 룹들을 도입하여 벌크상의 그래파이트가 단일 쉬이트로 분리되는 것을 촉진한다. 이 화학적 그룹들은 음전하를 띠고 있어 그래펜 쉬 이트 사이에 반발력이 생기도록 하여 분산을 돕는다. 이렇게 분산 된 그래펜은 다시 고분자를 녹이는 용매에도 분산될 수 있도록 하 기 위해 첨가제에 의해 그 표면에 다른 화학적 그룹을 유도한다. 이 런 방식으로 여러 고분자들을 용매/그래펜옥사이드 혼합물에 첨가 할 수 있게 되고 용매를 증발시키면 잘 분산된 그래펜 쉬이트와 고 분자만을 얻을 수 있는 것이다. Ruoff팀은 전자 현미경을 통하여 폴 리스티렌-그래펜 복합체가 구겨진 종이 조각들을 함유한 얼음 덩 어리를 닮은 모양을 하고 있음을 보였다. 그는 이 새로운 소재가 전 자공학이나 페인트, 코팅 소재로서뿐만 아니라, 가볍지만 강하여 항 공기의 동체의 소재가 될 수 있을 것으로 내다 보고 있다.
(Physicweb News, July, 2006) 자극 응답 특성 펩타이드 계면활성제
호주의 퀸랜드 대학(University of Queenland)의 한 연구팀이 계면활성제로 작용하는 새로운 펩타이드를 디자인했다. 이 계면활 성제의 성질은 스위치가 가능하여 거품제나 에멀젼의 안정하게 할 수도 있고 소멸시킬 수도 있다[Dexter et al., Nat. Mater., 2006].
계면활성제는 석유회수, 폐수처리, 식품가공, 제약 등 많은 산업에 서 사용되고 있는 거품이나 에멀젼 분산제에서 공기와 물 또는 기 름과 물 상 사이의 계면을 안정화하는데 사용된다. 대체로 계면활 성제는 계면에서 유동성이 높은 저 분자량의 유화제와 계면에 응집 되어 필름을 형성하는 고분자나 단백질 류의 두 그룹으로 분류될 수 있다. Anton P. J. Middelberg 등은 두 종류의 특성 사이를 오 갈 수 있도록 새로운 펩타이드계면활성제를 디자인하였는데, 이 는 아미노산 21개로 구성되며 나선형 사슬을 형성한다고 한다.
나선의 한쪽은 소수성이어서 계면에서 수용액 상으로부터 멀어 지도록 배향하는 성질을 가지며, 나머지 두개의 히스티딘 그룹은 수 용액상에 남아 이웃하는 펩타이드 분자로 배향하게 된다. 금속이 온의 존재 하에서 이들은 가교결합을 형성하여 거품상이나 에멀 젼을 안정화시키는 필름을 만든다고 Middelberg는 설명한다. 그
러나 EDTA를 첨가하여 금속이온을 제거하거나 용액의 pH를 낮 추는 것은 금속-히스티딘 결합을 깸으로써 계면에서 펩타이드 필 름이 유동성이 좋은 유화제로 변하게 한다. 즉, 이 펩타이드 계면활 성제는 유체간 계면에서 유화제와 필름으로 가역적으로 전환될 수 있다. 수용액 중 Zn 이온의 존재 하에서 이 펩타이드는 20% 톨루 엔 에멀젼을 안정화시키는 효과적인 에멀젼화제로 작용하지만, 만 약 황산이나 EDTA 수용액을 첨가하면 에멀젼은 수초 내에 합체되 어 버린다. Middelberg는 이처럼 빠르고 완벽하게 에멀젼을 소멸 시키는 방법은 아직 알려져 있지 않다고 주장한다. 이 연구자들은 이 새로운 펩타이드로 원유의 에멀젼을 스위칭할 수 있음을 보였다.
거품상에 대해서도 유사한 현상을 보였는데, 중성의 pH에서 Zn 가 존재 하면 펩타이드 용액은 최소 10분 동안 안정한 거품상 형 성할 수 있고, 여기에 산을 첨가하면 거품상은 붕괴되며, 또 다시 용 액을 중화시키면 새로운 거품상을 형성할 수 있음을 보였다. 이러 한 자극응답성 펩타이드 계면활성제의 개발로부터 새로운 가공기 술 뿐만 아니라 새로운 제품을 창출해 낼 수 있을 것으로 기대된다.
더불어 이 펩타이드 계면활성제는 생분해성이고 재생가능한 물질 로부터 제조되므로 환경친화적인 매력이 있다고 한다. Annette F.
Dexter는 자신들이 개발한 다양한 종류의 스위칭되는 펩타이드 계 면활성제가 곧 실용화될 것으로 기대하고 있다고 한다.
(Materials Today, July-August, 2006) 운동에 의한 정렬
살아있는 세포 내부의 분자들은 지속적으로 움직이는 도중에도 높은 공간적 배열을 유지할 수 있다. 이것은 운동과 무질서간의 상 호작용에 관한 기본적인 물리 원칙에 위배되는 것이다. 이는 간단 하게 가열에 의해 분자의 운동을 촉진하면 결정이 녹고 액체가 증발하는 등 공간적 배열이 파괴된다는 사실로 입증된다. 독일 Potsdam의 Max Planck Institute of Colloids and Interfaces의 과학자들은 분자운동을 촉진하여 공간적 배열을 향상시킬 수 있는 생체모방공학적 시스템을 제안하였다[Phy. Rev. Lett., 96, 258103].
이 시스템은 세포골격 필라멘트(cytoskeletal filament)의 등방성 액체와 접촉하고 있는 기질 표면에 분자 모터가 고정된 구조를 가 진다. 분자모터의 밀도를 증가시키면 액체는 광범위하게 방향성을 가지는 네마틱 액정으로 상변이가 일어나는 것으로 예측되었다. 이 러한 운동배열효과는 모터의 활성과 필라멘트간 공간적 배치가 상 호작용하여 발생한 것으로서 살아있는 세포 내에서의 패턴 형성 메 커니즘으로도 효과적인 것으로 발표하고 있다.
(MPS Press Release, July, 2006) 뇌세포에 스트레스를 줄 수 있는 썬크림의 나노입자
썬크림에 사용되는 미세한 입자들이 신경 손상을 야기할 수 있다 고 미국의 연구팀이 보고했다. 이 연구는 치약이나 화장품 등에도 사용되는 미세입자가 꼭 인체에 해롭다는 것을 의미하진 않지만 동종의 큰 입자가 안전하므로 미세 입자도 안전하다고 할수 없음 을 제시하는 여러 증거들의 무게를 더하고 있다. 미국 EPA의 Bellina Veronesi 연구팀은 대부분의 썬크림에 포함된 타이타니 아(titanium oxide) 나노 입자가, 뇌의 뉴런의 손상을 막는 micro-
기술뉴스
고분자과학과 기술 제 17 권 4 호 2006년 8월 479 glia세포에 어떤 영향을 미치는지를 연구하였다. 연구에 따르면, 나
노입자는, 짧은 시간 동안에는 세포를 보호할 수 있지만 오랜 시간 배출되면 세포손상의 가능성이 있는 화학물질을 만들도록 세포를 자극시킨다고 한다. University of Rochester의 나노입자 유독성 관련 전문가인 Günter Oberdörster는 이러한 결과들이 실제로 나 노입자의 건강유해성을 나타내고 있다고 말하기에는 아직 이르다 고 강조했다. 그는 “이것들은 가치있는 결과들이지만 살아있는 유 기체에 적용하는 것은 매우 주의를 요한다”고 말했다.
페인트에 사용되는 흰색 염료인 타이타니아는 일반적으로 무독 성이다. 이것은 자외선 흡수 능력 때문에 썬크림 제조시 미세한 파 우더로 사용되어 왔다. 이 입자는 너무 작아서 투명하므로 피부에 발라도 창백해지지 않는다. 연구원들은 구입한 30 nm 타이타니아 를 쥐의 microglia 세포배양기에 첨가하였다. 이 세포들은 침입한 입자를 에워싸고 ROS와 같은 화학물질을 방출하여 그 입자를 파열 시킴으로써 뉴런을 보호한다. 그러나 ROS는 주변 세포에도 손상을 입힐 수 있기 때문에 장기적으로는 해로운 결과를 불러올 수 있다.
Veronesi팀은 타이타니아 입자들이 microglia에 의해 제거되고 한 시간 이상이 되면 ROS를 방출하여 파열시키는 것을 발견하였다.
ROS는 파킨슨이나 알츠하이머 병 같은 신경퇴행성 질환의 중요한 원인으로 생각되기도 하는 산화적 스트레스가 쉽게 일어나게 한다 고 한다.
혹자들은 이러한 결과를 걱정하는 것은 너무 이르다고 한다. 어느 누구도 피부에 사용한 나노입자가 어떠한 농도에서 뇌에 영향을 미 치는지를 알고 있는 사람은 없다. 쥐 세포에서 보여진 결과는 살아있 는 쥐나 인체에는 영향을 끼치지 않을 지도 모른다. 비록 Veronesi 팀이 타이타니아 입자가 뉴런의 세포를 죽일 수 있다는 결과를 보고했 지만, 산화적 스트레스가 뉴런을 손상시킨다는 증거는 없다고 한다.
(News@nature.com, June 16, 2006)
탄소나노튜브 유체펌프
일리노이의 Argonne National Lab의 Zeke Insepov팀은 탄소 나노튜브의 벽을 따라 진행하는 파동에 의한 연동운동으로 가스 가 나노규모의 관에 의해 효과적으로 펌프 될수 있음을 컴퓨터 모 델링을 통해 보였다. 이 효과는 연료전지에서 나노튜브가 수소를 저 장하고 전달하는 역할로 사용될 수 있음을 보여준다. 유체를 나노 규모의 관으로 구동하는 것은 마이크로플루이딕스 기술이나 나노 인쇄, 약물전달, DNA 분석, 양자계산에 사용될 수 있다. 탄소나노튜 브에서 물질이동에 쓰이는 전기적 방법은 예를 들면, 전류를 흘려 서 관 안의 갇힌 이온들을 빠져 나오게 하는 것은 이미 실험적으 로 증명된 바 있다. 반면에 Argonne 연구팀에 의해 이론적으로 제 시된 펌프 운동은 순전히 역학적인 것이다. 연구팀은 수소나 헬륨 을 직경 1∼2 nm의 탄소나노튜브에 넣고 튜브 반경의 1∼5% 정 도 되는 진행파로 튜브 벽을 여기시켰다. 길이방향으로 튜브가 주기 적으로 수축되고 늘어나는 파동을 Rayleigh 표면파라 부른다.
Rayleigh경은 19세기에 Rayleigh파에 의해 원통형 액체기둥이 꿰어 있는 듯한 액체방울 형태로 쪼개질 수 있다고 보였다. 이런 파동은 레이저 펄스에 의해 나노튜브 원통의 표면에 야기될 수 있 다. 이 모델링 팀에 의하면 가스분자는 높은 속도로 관을 따라 파 동의 형태로 움직이고 가스분자끼리 충돌이 거의 없다. 10테라 Hz 의 펌프 파동에서 가스 이동속도는 초당 30 km에 도달한다. 탄소 나노튜브는 연료전지 기술에서 나노단위의 수소저장 관으로 제안 되어 왔다. 만약 이것이 현실화된다면 레이저로 자극된 펌프작용이
저장된 가스를 나오게 하는데 좋은 역할을 할 것이다.
(Nanozone news, August 3, 2006) 바이오 나노복합재료를 생성하는 혼성 단백질
자연에 존재하는 실리카 구조물 들은 유기물 성분이 기능성을 나 타내고 또 실리카 형성을 돕는 나노복합재료로 구성되어있다. 단백 질 유도체의 하나인 실크는 뛰어난 기계적 물성을 가지는 섬유를 생산하기에 적합한 물질이다. 이런 천연재료에 영감을 얻은 미국 의 Tufts 대학, 영국의 Nottingham Trent 대학 그리고 미국의 공 군 연구소에서는 새로운 생체 모방 혼성 재료를 합성하였다[Proc.
Natl. Acad. Sci., USA (2006) doi: 10.1073/ pnas.0601096103].
이들은 새로운 혼성단백질 군이 거미줄과 생체실리카의 속성을 모 두 가지도록 설계, 합성하고 분석하였다. 이들은 규조류(clindo- theca fusiformis)로 부터 얻은 R5 단백질과 아메리카 무당거미 (Nephila clavipes)의 거미줄 성분인 MaSp1 단백질 영역을 융 합하였다. MaSp1 단백질은 자기조립과정에서 구조와 형태를 조정 하는 역할을 수행한다. 한편 R5 단백질은 저온, 중성인 조건에서 실리카의 침전형성을 촉진한다. 이 새로운 혼성 단백질을 이용한 광물화 과정을 이용하여 0.5∼2 µm 직경의 실리카 입자를 포함하 는 나노 복합재료를 생산할 수 있었다. 이 혼성단백질을 사용하여 실리카 입자 직경의 분포를 보다 좁게 할수 있다. Tufts의 David.
Kaplan은 이 기술이 두 가지 중요성을 가진다고 하였다. 그 하나는 유전공학을 이용하여 보다 고효율 혹은 새로운 물성을 가진 소재를 제조할 수 있는 가능성을 열었고, 다른 하나는 모든 공정이 주어진 조건하에서 물속에서 이루어 진다는 것이다. 게다가 실리카 뿐만 아 니라 hydroxyl apatite, TiO2나 게르마늄 등도 이 혼성 단백질로 생산해 낼 수 있다.
(MaterialsToday, July-August, 2006) 건물의 냉온방에 사용될 열전 고분자
Active Building Envelope(ABE)라고 불리는 기술의 구체적인 내용이 Denver에서 열린 Solar 2006에서 발표되었다. RPI의 Steven Van Dessel 교수 연구팀은 열전 가열 펌프와 태양광발전 패널을 한데 묶은 ABE 시스템을 이용하여 가열과 냉각에 필요한 비용을 절감할 수 있다고 하였다. 그는 다양한 건물 표면에 ABE 시 스템을 부착함으로써 이전의 에어컨과 가열 기구를 대체할 수 있을 것이라고 한다.
NSF가 지원할 Dessel의 다음 프로젝트는 ABE 기술을 보다 경 제적으로 실현가능한 저비용 박막 물질로 대체하는 것이다. 만약 성 공하면, 박막은 자동차 내부를 가열하거나 냉각시키는 차유리 등과 같은 응용 분야에 사용될 것으로 예측된다.
전류가 열전 가열 펌프를 통과하면 한 쪽은 차가워지고 다른 한 쪽은 뜨거워진다. 한 쪽을 컨테이너 안 그리고 다른 한 쪽을 바깥 에 놓음으로써 열전 장치는 컨테이너 안팎으로 열을 왔다갔다하게 할 수 있다. ABE 시스템은 열전소자와 전체 건물을 커버할 수 있 는 태양광발전패널과 병합시킨다. 이것이 전기저장 장치와 합쳐지면, 낮 또는 밤 동안 건물을 가열하거나 냉각시킬 수 있을 것이라고 한다.
(EE Times, July 13, 2006)
<광주과학기술원 신소재공학과 박지웅, e-mail：jiwoong@gist.ac.kr>
