412 … NICE, 제26권 제4호, 2008
1989년 3월 24일, 알래스카에서 일어난 Exxon Valdez호의 좌초는 무려 1,080만 갤런의 원유를 유출 했으며, 긴급 방제작업에도 불구하고 약 250,000마리 의 바닷새, 3,000마리의 해달, 250마리의 대머리 독수 리의 떼죽음을 낳았다. 이 사고는 기름 유출시 물과 기름을 효율적으로 분리할 수 있는 물질의 필요성을 대두시켰다. 물과 기름의 분리는 계면에서의 특별한 성질의 나노물질을 요구하는데, 높은 면적대부피 비, 친수성(hydrophilic) 또는 소수성(hydrophobic)을 가 지는 표면적이 바로 그것이다. 게다가 지금은 요구에 따라 표면적의 성질을 친수성에서 소수성으로 또는 그 반대로 바꾸는 것이 가능해 졌다.
MIT의 Stellacci 등은 그러한 나노물질의 개념을 나
노 스케일에서 일어나는 무기 나노와이어(inorganic nanowire)의 자기조립(self-assembly)으로 설명하였 다. 그들은 표면물성을 제어할 수 있는 비직조 막 (non-woven membrane)을 개발하였는데, 이것은 직 경 20nm의 potassium manganese oxide 나노와이어 이며 각각이 모여서 다발을 이루면 약 50µm의 두께를 가지는 수백 마이크로미터 길이의 얇은 막을 만든다.
또한 평균적으로 10nm의 구멍(pore)을 갖는 그물망 (mesh) 구조와 44m2/g의 (비록 활성 탄소의 내부표 면적에 비해 10배 정도 낮은 수치이지만) 강력한 내부 표면적을 지닌다. 그물망 구조에서 가장 중요한 것은 모세관 작용으로 액체가 얇은 막으로 빨려오게 만드 는 다공도(porosity)와 액체와 면적의 상호 작용의 정 도를 설명할 수 있는 습윤도(wettability)이다.
Wetting에는 두 가지 유형이 있다. Homogeneous wetting은 표면적의 거친 정도가 커질수록 wetting이 가능한 표면적도 증가하고, 이것이 물질 본래의 wetting 정도를 강화시키는 경우이다. [그림 1]에서 볼 수 있듯이 물질의 접촉각이 90。보다 작은 경우에 는 친수성을 나타내는 반면에 90。보다 클 경우에는 소수성을 나타낸다. Heterogeneous wetting의 경우에 는 작은 공기 주머니가 액체와 표면 사이에 잡히게 된 다. 공기는 강한 소수성 물질이며 표면적의 소수성을 증가시키는 중간체로서 작용한다. 이러한 점을 응용하 여 나노와이어의 표면을 소수성 물질로 코팅시킴과 동시에 표면 거칠기를 크게 하여 자신의 초기 무게보 다 20배나 많은 양의 기름을 흡수할 수 있는 나노물질 (superhydrophobic material)을 만들어 내었다.
비록 Manganese oxide 사용의 잠재적인 경제성과 독성에 관한 논의로 이것의 상업적인 사용에 대하여 미리 예견할 수는 없지만, 이 연구는 환경 보호적인 응용 차원에서 미래의 나노물질의 청사진을 제공한다 는 점에 큰 의의가 있다[Nature nanotechnology, Vol. 3, p. 320 (2008)].
나노물질을 이용한 정화(淨化)
그림 1. (A) 높은 면적대 부피 비를 나타내는 다공성 구조
의 나노와이어 그물망(mesh)의 확대도, (B) 물질의
습윤거동을 정량화하는 액/기체 경계의 접촉각 θ,
(C) 얇은 막 표면이 물과 접촉 시 일어나는
heterogeneous wetting(왼쪽)과 기름과 접촉 시 일
어나는 homogeneous wetting(오른쪽).
NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 26, No. 4, 2008 … 413
Particles Slip Cell Security
진핵생물 세포의 원형질 막은 수백만 년 동안 고도 의 효과적인 보호막으로 그리고 견고한 침투 장벽(오 로지 작고 하전되지 않은 분자만 통과시키는)으로 진 화되었다. 다른 모든 혼합물들 특히 이온이나, 설탕, 그리고 아미노산 등과 같은 극성을 가지는 물질들이 그러한 막을 지날 때는 특별한 통로나 막 운반자 (membrane transporter)를 필요로 한다. 또한 장벽 은 얇은 막의 붕괴로 인해 생길 수 있는 피해로부터 세포를 보호한다.
합성 나노물질을 통한 세포질 입구에 관한 메커니 즘은 나노 생물학계에 가장 흥미로운 주제 중 하나이 다. 가장 잘 알려진 메커니즘은 에너지를 수반하는 endocytosis이다. 이것은 세포가 나노물질(단백질과 같은 분자)을 밖으로부터 안으로 세포막을 이용하여 삼키는 작용을 말한다. 이 때 endosome는 세포내부로 이러한 물질을 운반하는 역할을 한다. 또한 어떤 나노 입자들은 직접적으로 포유류 세포의 얇은 막을 박테 리아처럼 직접적으로 미끄러져 통과한다는 사실이 연 구되어 왔다. 그러나 이러한 메커니즘은 밝혀내기가 매우 어려웠다. 이에 MIT의 Irvine과 Stellacci 등은 친수성 또는 소수성 ligand 줄무늬 형상으로 교대로 코팅된 금 나노 입자가 어떻게 수지상 세포(dendritic cell)와 섬유 모세포(fibroblast)의 얇은 막을 직접적 으로 통과할 수 있는 지를 보였다[그림 1(A)]. 형광 으로 라벨화된‘줄무늬 입자’는 어떠한 싸여짐도 없고, 얇은 막에 손상 없이 지방 이중층을 통과한다는 것을 현미경으로 관찰할 수 있다. 반면, 일정한 순서가 정해 지지 않은 친수성, 소수성의 ligand 껍질을 동일한 양 만큼 가진 나노 입자의 경우 직접적으로 통과하지 못 하고 endocytosis에 의해 세포 속으로 도입됨을 알 수 있다. 물론 아직까지 나노 입자와 지방 이중층과의 구 체적인 상호작용에 대한 설명은 연구 중이다. 그 중 하나가 양으로 하전된 입자가 우선적으로 얇은 막의
음으로 하전된 표면과 상호작용을 일으킬 것이며, 소 수성의 부분에서 떨어져 지방 이중층을 통과할 것이 라는 것이며, endocytosis와 얇은 막의 위치변경 (translocation)은 동시에 진행된다는 것이다.
양쪽 친매성(amphipathic)을 가지는 나노 입자의 표면에 관한 연구는 직접적으로 얇은 막을 통과하는 형태의 세포 내부로 접근하는 새로운 방법을 제공해 주었다. 이러한 메커니즘은 치료 목적의 DNA, RNA, 펩티드(peptide) 등과 같은 작은 분자를 세포에 전달 하는데 이용될 수 있으며, 얇은 막의 위치변경 메커니 즘을 좀더 신중히 이해하는데 도움이 된다[Nature materials, Vol. 7, p. 519 (2008)].