우리원 첨단연성물질 연구단 바르토슈 그쥐보프스키(Bartosz Grzybowski) 그룹리더 연구팀이 세계 최초로 나노입자로 계면활성제를 만드는데 성공했다. 연구팀이 개발한 나노 계면활성제는 자기장, 빛, 전기 세 가지 자극에 모두 반응하도록 설계된 것이 큰 특징이다. 나노 계면활성제로 둘러싸인 액체방울을 자유롭게 조종할 수 있기 때문에 약물 전달이나 액체방울 내 세포 배양 등 생물, 화학과 제약 분야에 이 기술이 널리 응용될 것으로 기대된다. 이번 연구결과는 국제적인 학술지 네이처(Nature, if 40.137)에 1월 11일 게재되었다.

계면활성제는 비누, 세제, 샴푸 등 생활용품에 널리 사용되는 화학물질이다. 하나의 분자 안에 물과 잘 결합하는 부위(친수성)와 기름에 잘 결합하는 부위(소수성)가 동시에 있는 특이한 구조다. 물과 기름에 동시에 결합할 수 있는 이유도 특이한 구조 덕분이다. 두 액체를 자연스럽게 분리하고 운반하는 기능 덕에 약물 전달이 핵심인 차세대 의학재료로 주목받고 있다. 특히 액체방울을 조절하는 기술은 질병 진단과 신약 개발 등 제약·화학 연구 전반에 사용되고 있다.

하지만 기존의 액체방울 조절 기술은 분자 계면활성제에 의존해 두 가지 이상의 자극에 반응하도록 어렵다는 한계가 있었다. 계면활성제로 둘러싸인 액체방울을 외부 자극에 반응하도록 분자를 설계하는 방식이었기 때문이다. 온도에 따라 변하거나 자기장으로 조종하고 빛과 산화-환원 반응 등에 각각 반응하는 계면활성제는 개발됐지만 다양한 자극에 동시에 반응하는 계면활성제가 나온 것은 처음이다.

연구진은 물이 붙는 친수성 부분에 6nm(나노미터·10억분의 1m) 크기의 금(Au) 나노입자를, 기름이 붙는 소수성 부분에는 12nm 크기 산화철(Fe₃O₄) 나노입자를 사용해 눈사람 모양의 나노 계면활성제를 만들었다. 나노 계면활성제는 자기장, 전기장, 빛에 모두 반응하도록 설계되었으며 자기장과 빛으로는 액체방울의 위치, 움직임, 회전속도를 조절할 수 있고 전기장으로는 액체방울들을 결합할 수 있다.

▲ IBS 연구진은 나노입자를 나노 계면활성제로 만드는 데 성공했다. 연구진은 금(Au)에 친수성 분자를 붙인 친수성 나노입자(노랑)와, 산화철(Fe₃O₄) 혹은 황화납(PbS)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.

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.

▲ 파란색 원은 자성에 반응하는 나노 계면활성제로 둘러싸인 액체방울이다. 접시 밑에 자석을 갖다 대면, 그림과 같이 액체방울이 자석 위로 모인다. 자기장을 이용하면 액체방울을 이동할 수 있다.

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 따뜻한 공기는 위로, 차가운 공기는 아래로 내려가는 대류현상 때문인데, 이를 이용해 레이저를 쏘는 부분에 따라 회전 속도와 회전 방향도 조절해 톱니바퀴처럼 움직이도록 조종할 수도 있다.

▲ 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 대류 때문이다. 대류현상으로 인해 액체방울이 회전하는데 맞닿은 액체방울들이 톱니바퀴처럼 맞물려 돌아간다.

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.

▲ 나노 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.

연구진은 이번에 개발한 나노 계면활성제로 액체방울 하나하나를 초미니 화학, 생물학 실험실로 만들 수 있다고 설명했다. 액체방울 안에 세포를 키우거나 특정 화학물질을 넣고 반응을 실험할 수 있다는 뜻이다. 액체방울 안에 약물을 담아 원하는 조직이나 세포로 이동시켜 약을 주입시키는 전달체로도 응용할 수 있다. 이번 연구의 교신저자인 바르토슈 그쥐보프스키 그룹리더는 “나노 계면활성제로 만든 액체방울은 세상에서 가장 작은 화학 공장”이라고 말했다.

이번 연구는 흔치 않지만 공동 제1저자가 부부 연구자다. 지지에 양 연구위원은 “1+1이 2보다 크다는 점에서 이번 연구는 우리가 개발한 나노 계면활성제와 비슷하다”며 “나노입자 두 개를 더했지만 결과는 나노입자 두 개보다 훨씬 대단하다”고 소감을 밝혔다.

초소형 액체방울을 자유롭게 조종할 수 있는 이 기술은 향후 액체방울을 이용한 다양한 연구와 공정을 발전시키는데 큰 역할을 할 것으로 기대된다. 표면 성질에 따라 박테리아를 죽이거나 효소를 운반하는 등 다양한 기능을 가진 나노입자로 나노 계면활성제를 만든 만큼 기존 분자 계면활성제보다 다양하고 복합적인 기능을 수행할 것으로 전망된다.

▲ 연구진이 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.

▲ 이번 연구를 수행한 IBS 첨단연성물질 연구단 연구자들. (왼쪽부터) 교신저자인 바르토슈 그쥐보프스키 그룹리더, 공동 제1저자인 지지에 양 연구위원과 징징 웨이 연구위원. 두 연구자는 부부이다. 마지막은 제2저자인 야로스와브 소볼레브 연구위원.

IBS 대외협력실 고은경