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~ 오염을 방지하는 새로운 표면재료 개발 ~

표면의 오염은 일상생활에서 옷의 오염에서 배 밑바닥의 조개 부착에까지 다양한 곳에서 문제가 되고 있다. 오염은 재료표면에 오염물질이 밀착하여 발생하기 때문에 오염되기 어려운 재료표면을 디자인하기 위해서는 표면에 나노크기의 물질이 접착하는 상황을 이해하는 것이 반드시 필요하지만, 그 실태는 잘 알려져 있지 않다.

이번에 도쿄대학 대학원 공학계연구과 화학생명공학전공 연구팀은 ‘염’이 재료표면을 오염시킨 경우, 재료표면의 ‘물을 튕겨내는 성질’이 강하면 강할수록 염이 용출되기 어렵다는 것을 발견하였다. 인공적으로 염을 표면에 배치한 판을 사용하여 ‘염’과 ‘물을 튕겨내는 표면’과의 거리를 변화시켜 염의 용출상태를 비교한 결과, ‘염’이 ‘물을 튕겨내는 표면’에 가까울수록 용출되기 어렵다는 것을 밝혀내었다. 이러한 변화를 나타내는 염과 표면의 거리는 1nm 정도에서 발현되며, 이것은 물질과 표면의 밀착정도와 밀접하게 관계한다.

물은 염을 녹인다. 그러한 상식이 ‘물을 튕겨내는 표면’ 가까이에 있는 물의 경우는 해당되지 않는다. 도쿄대학 대학원 공학계연구과 화학생명공학전공 연구팀은 이것을 실험적으로 나타내는데 성공하였다. 왁스나 테플론을 대표되는 ‘물을 튕기는 표면’에 물을 흘리면, 물은 입자상이 되어 구르는 것처럼 표면에서 도망친다. 이러한 ‘물을 튕기는 표면’에서도 이것을 수몰시킨 경우, 물이 표면을 덮은 것처럼 보인다. 그러나 본질적으로 그 표면은 물은 튀기기 때문에 표면이 직접 접촉하고 있는 물은 그대로 있지 않는다.

이와 같이 ‘물을 튕기는 표면’과 접하고 있는 물의 거동에 대해 과거부터 흥미를 가지고 연구를 수행해 왔다. 예를 들면 물을 튕기는 표면 위에서 ‘물’은 실제로 ‘얼음’이 된다는 가설 및 빛의 통과방법이 다르다는 가설이 존재하지만, 그 실태에 대해서는 아직도 불분명한 점이 많다. 또한 단백질의 구성요소에는 염과 같은 구조와 물을 튕기는 구조가 많이 포함되어 있으며, 물이 주성분인 체내에서 그것이 어떻게 영향을 미쳐 복잡한 생체기능을 발현하고 있는지도 불분명하다. 단순하고 평탄한 ‘물을 튕기는 표면’이더라도 그 위의 물 구조 또는 그 위에 있는 다른 물질이 어떻게 표면의 영향을 받고 있는지 충분히 밝혀지지 않았다.

이번에 발견한 것은 ‘물을 튕기는 표면’ 가까이의 물은 염을 녹이기 어렵다는 것이다. 본 연구에서는 상부에 인공적으로 ‘염’을 배치한 원자수준의 평탄한 판을 준비하였다. 염의 밑에는 물을 튕기는 얇은 막을 배치하였다. ‘염’과 막 표면과의 거리가 다른 4개의 판을 준비하고, 그것을 수중에 담가 ‘염의 용출을 관측하였다. 이러한 현상이 나타나는 ’물을 튕기는 표면‘과 ’염‘과의 거리는 1nm 정도이며, 이것은 표면과 물질이 거의 접착되어 있는 상태이다

물질은 재료의 표면에 접착하여 경우에 표면으로부터 용출되는 것이 곤란하다. 이것이 재료 표면의 오염이다. 표면의 오염은 현재 다양하게 문제가 되고 있으며, 그 제거에 막대한 에너지가 필요하다. 예를 들면 배 밑바닥에 부착되는 조개는 배의 이동 속도를 감소시켜 쓸데없이 연료를 소비시킨다. 또한 일상생화에서도 프라이팬 및 옷의 오염 등이 발생하면 그것을 제거하기 위해 많은 에너지가 필요하다. 때문에 오염을 방지하는 표면의 개발이 요구되고 있다. 이번에 이러한 오염을 방지하기 위한 새로운 표면재료 설계를 위한 지침을 확립할 수 있을 것으로 기대한다.

이번에 발견한 현상은 약제설계에 중요한 생체분자 시뮬레이션의 기초로서 상당히 중요하며, 실제로 1953년에 이미 이론적으로 예언되었다. 그러나 예언 이후 60년 이상 실증되지 않고 현재에 이르렀으며, 본 연구에 의해 처음으로 실험적으로 나타내었다. 지금까지 실증이 어려웠던 이유는 ‘염’을 ‘물을 튕기는 표면’에서 정해진 거리에 고정시키는 방법과, 수중에서 그 용해 정도를 평가하는 방법의 확립이 곤란하였기 때문이다. 본 연구에서는 이것을 단분자막을 이용하여 이론에 대해 처음으로 실증을 성공시켰다.

단백질 내에서 발생하는 ‘염’은 ‘염다리’로서 알려져 있으며, 그 염다리는 단백질 내의 물을 치는 부위, 즉 ‘소수성 도메인’에 나노크기의 거리로 접하고 있다. 본 연구에서 발견한 현상은 ‘염다리의 강도’가 ‘소수성 도메인’에 가까워질수록 증강되는 것을 의미하고 있다. 단백질을 구성하는 아미노산은 21종류임에도 불구하고 단백질이 구성하는 생체기능은 실제로 다종다양하다. 이번 발견은 단백질로 대표되는 생체분자가 적은 기본 요소로부터 다양성을 만들어 내는지를 해명할 수 있을 것이다. 또한 본 연구에 의해 ‘염다리’와 ‘소수성 도메인’의 관계를 깊이 이해함으로써 새로운 약제 설계 지침이 될 것으로 기대된다.

그림. ‘염’은 ‘물을 튕기는 표면’ 근처의 물에는 잘 녹지 않는다.