네덜란드 연구진은 스위스 치즈모양을 하고 있는 새로운 멤브레인을 개발하는데 성공했다. 외부적인 신호로 그 내부의 기공의 크기 및 침투성이 조절 가능한 스마트 멤브레인이 개발되었다.
네덜란드 트웬테대학(University of Twente) 연구진은 수요에 따라 기공이 더 많아지거나 혹은 줄어들 수 있는 새로운 멤브레인 구조체를 만드는데 성공했다. 이러한 방식으로 열림과 닫힘이 가능한 스마트 스위칭 소재가 가능해지게 되었다. 이번 소재는 바이오센서, 화학분석, 촉매 등 여러 혁신적인 응용의 새로운 길을 여는 계기가 될 것으로 기대된다. 트웬테대학 MESA+ 나노기술연구소(Institute for Nanotechnology)의 최근 이와 관련한 연구결과는 저널 Angewandte Chemie에 매우 중요한 논문으로 설정되었다.
스마트 멤브레인의 기공 크기는 외부로부터 조절될 수 있다. 이러한 특성은 바이오센서나 화학적 분석에 매우 매력적인 부분이 될 수 있다. 스위치 치즈 구조체는 여러 폴리머 멤브레인 특성을 가지고 있으며, 폴리머 내에 철을 주입하여 그 특성을 변경할 수 있다. 전기 신호나 화학 신호를 이용하여 기공의 크기는 조절될 수 있다. 이번 개발의 핵심은 철로부터 전자의 추출이나 주입의 산화 및 환원 반응에 있다.
조정 가능한 기공크기로 인해서 멤브레인의 선택성과 투과성은 조절될 수 있다. 이를 통해서 멤브레인 내이 포함된 물질을 방출하거나 또는 분리하는 역할을 할 수 있다. 트웬테대학 연구진은 이번 소재가 단백질의 분리 및 분석에도 활용될 수 있다는 것을 실험적으로 확인했다. 새로운 멤브레인의 장점은 구조체가 변할 때 그 색상이 변하는데 있다. 단백질 감지 및 분석에 이러한 색상의 변하는 현재 상태를 시각적으로 인식할 수 있는 중요한 부분이 된다. 또한 이번 소재는 바이오센서 소재로 활용가능하며 그 제조비용이 저렴하다는 장점을 가지고 있다.
스마트 멤브레인의 다른 응용은 촉매이다. 이는 하나의 돌로 두 마리의 새를 잡을 수 있는 일석이조의 효과를 가지는 것이다. 기공의 크기 및 투과성이 은염을 이용한 화학적 반응으로 조절될 수 있다. 나노크기의 은 입자는 멤브레인에 도포될 수 있다. 은은 여러 부분에서 중요한 촉매의 역할을 한다.
멤브레인 연구는 MESA+ 나노 기술 연구소의 Julius Vancso 교수가 이끄는 재료과학 및 폴리머 기술 그룹에 의해 진행되었다. 이번 연구는 Angewandte Chemie International Edition에 "Breathing Pores on Command: Redox-Responsive Spongy Membranes from Poly(ferrocenylsilane)s"라는 제목으로 게재되었다.(DOI: 10.1002/anie.201408010)
그림. 멤브레인 내부에 포함 된 철의 산화 환원 작용으로 인해서 기공의 크기가 변하게 된다. 내부의 은 나노입자는 이러한 멤브레인의 촉매 역할을 향상시키는 역할을 한다.
그림. 산화 및 환원을 통해서 기공의 크기가 자유롭게 변하는 스마트 멤브레인
A new membrane, developed by University of Twente scientists, can be made more or less porous 'on demand'. In this way, smart switching between 'open' and 'closed' is possible, which opens the way to innovative applications in biosensors, chemical analysis and katalysis. The researchers of the MESA+ Institute for Nanotechnology present their results in
Angewandte Chemie. Their paper is designated 'very important' by the journal.
The
pore size of the smart membranes can be adjusted from the outside: this is very attractive in applications like biosensors or chemical analysis. The 'Swiss cheese' structure is characteristic of many
polymer membranes and is now modified by introducing iron within the polymer. Using an electric signal or a chemical reaction, the pore size can be adjusted. The key to this is controlled adding or extracting of electrons to and from iron.
Cheap biosensor
Thanks to this adjustable pore size, the permeability and selectivity of the membrane can be tuned, for separation purposes or controlled release. The UT scientists see possibilities in analysis and separation of proteins, for example. An extra
advantage of the new membranes is the change in colour that takes place. The process of protein detection and analysis becomes visible in an easy way, which may lead to a cheap type of biosensor.
Silver nanoparticles
Another application of the smart membrane is in catalysis. Here, it is possible to kill two birds with one stone. Whilst the pore size and permeabiliteit can be altered using a chemical reaction with silver salt, nanosize particles of silver are deposited on the membrane at the same time. Silver is an important catalyst in many applications.
The
membrane research is conducted by the Materials Science and Technology of Polymers group, led by Prof. Julius Vancso. This group is part of the MESA+ Institute for Nanotechnology of the University of Twente.
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