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소수성

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1. 개요

소수성은 물질이 물과 섞이려는 성질인 친수성과 반대되는 개념으로, 물을 기피하는 성질을 의미한다. 생물학에서는 세포막을 구성하는 인지질과 같은 분자의 꼬리 부분, 아미노산의 무극성 곁사슬과 같이 물과의 상호작용을 최소화하는 특징을 지칭한다. 화학에서는 소수성 상호작용이 물 분자 간의 수소 결합을 방해하여 발생하는 현상을 설명하며, 미셀 형성, 단백질 구조 형성 등에서 중요한 역할을 한다. 초소수성은 연꽃잎과 같이 물방울이 표면에 닿아도 잘 적셔지지 않는 현상으로, 표면의 미세 구조와 계면장력에 의해 나타난다. 소수성은 용해도, 분배계수, 크로마토그래피 등을 통해 측정할 수 있으며, 다양한 연구 개발을 통해 자가 세척, 랩온어칩, 제약 분야 등 다양한 분야에 응용되고 있다.

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소수성
개요
설명물에 대한 친화력이 없는 분자 또는 표면
어원그리스어 ὑδρόφοβος (hydróphobos)에서 유래, "물"(ὕδωρ, húdōr)과 "두려움"(φόβος, phóbos)의 합성어
다른 이름소수성
疏水性
로마자 표기hydeuropoboseu (개정 로마자 표기법에 따른 음차)
특징
정의물과의 상호 작용을 피하는 경향을 나타내는 물리적 특성. 물 분자와의 수소 결합을 형성하지 못하는 분자나 표면을 설명함.
예시기름, 지방, 탄화수소 등
응용 분야
기술 분야석유 탄화수소 제거를 위한 소수성 플라스마 중합체 코팅 실리카 입자에 활용.

2. 생물학에서의 소수성

세포막을 이루는 인지질이나 세제, 락스 같은 물질은 친수성인 머리 부분(인산기 등)과 소수성인 꼬리 부분(탄화수소)을 모두 가지고 있다.

소수성인 표면 위의 물방울들

2. 1. 소수성 결합

소수성 결합(Hydrophobic interaction)은 물에 대한 저항성을 가진 무극성 곁사슬(예: 타이로신, 발린)을 포함하는 아미노산 간에 형성되는 비공유 결합이다.[1] 이 결합들은 물을 피하려는 성질 때문에 단백질 바깥쪽의 수성 환경(watery medium)과 멀어져 단백질 중심으로 향한다.[1] 이는 결과적으로 폴리펩타이드 사슬의 접힘이나 꼬임을 유발한다.[1]

소수성 상호작용은 물속의 소수성 분자 사이에서 작용하는 열역학적 상호작용으로,[2] 상온에서는 인력 상호작용이며, 소수 결합이라고도 불린다.[2] 소수성 상호작용의 가장 큰 요인은 비극성 분자가 물에 잘 녹지 않는다는 소수성 효과이지만, 반데르발스 힘이나 CH/π 상호작용 등도 중요하다.[2] 소수성 상호작용은 지질의 미셀 형성이나 단백질의 고차 구조 형성(폴딩)에서 중요한 역할을 한다.[2]

3. 화학적 배경

소수성 상호작용은 주로 액체 물 분자 사이의 수소 결합을 비극성 용질이 방해하여 발생하는 엔트로피 효과이다.[4][5] 물은 비극성 분자 주위에 클러스터와 유사한 구조를 형성하는데, 이는 물 분자들이 서로 최대한 상호작용하도록 배열되어 자유로운 물 분자보다 더 높은 질서를 가지기 때문이다. 따라서 엔트로피가 더 높은 상태가 된다. 결과적으로 비극성 분자는 서로 뭉쳐 물에 노출된 표면적을 줄이고 시스템의 엔트로피를 감소시킨다.[4][5] 이처럼 두 가지 섞이지 않는 상(친수성 대 소수성)은 계면적이 최소화되도록 변화하며, 상 분리 현상에서 시각적으로 확인할 수 있다.

소수성 상호작용은 물속의 소수성 분자 사이에서 작용하는 열역학적 상호작용으로, 상온에서 인력 상호작용이기에 소수 결합이라고도 불린다. 소수성 효과가 가장 큰 요인이지만, 반데르발스 힘이나 CH/π 상호작용 등도 중요하다. 소수성 상호작용은 지질의 미셀 형성이나 단백질의 고차 구조 형성(폴딩)에서 중요한 역할을 한다.

3. 1. 초소수성

연꽃잎 위의 물방울


연잎과 같은 초소수성(Superhydrophobicity) 표면은 물방울과의 접촉각이 150°를 초과하여 매우 젖기 어려운 표면이다.[6] 이는 연잎 효과로 잘 알려져 있으며, 화학적 성질보다는 표면의 미세 구조와 계면장력에 의해 결정되는 물리적 성질이다.[7]

3. 1. 1. 이론

1805년, 토머스 영(Thomas Young)은 기체로 둘러싸인 고체 표면에 놓인 액체 방울에 작용하는 힘을 분석하여 접촉각 θ를 정의했다.[8]

액체 방울이 고체 표면에 놓여 있고 기체로 둘러싸여 있습니다. 접촉각 θC는 액체, 기체, 고체가 만나는 삼상 경계에서 액체가 이루는 각입니다.


:\gamma_\text{SG}\ =\gamma_\text{SL}+\gamma_\text{LG}\cos\theta \,

여기서

:\gamma_\text{SG}\ = 계면장력(고체-기체)

:\gamma_\text{SL}\ = 고체-액체 계면장력

:\gamma_\text{LG}\ = 액체-기체 계면장력

θ는 접촉각 측정기를 사용하여 측정할 수 있다.

벤첼(Wenzel)은 액체가 미세 구조화된 표면과 밀접하게 접촉할 때 θ가 θW*로 변한다는 것을 알아냈다.

:\cos\theta_W* = r \cos\theta \,

여기서 r은 실제 면적과 투영 면적의 비율이다.[9] 벤첼 방정식은 표면의 미세 구조화가 표면의 자연적인 경향을 증폭시킨다는 것을 보여준다. 소수성 표면(원래 접촉각이 90°보다 큰 표면)은 미세 구조화되면 더욱 소수성이 된다. 즉, 새로운 접촉각이 원래 접촉각보다 커진다. 그러나 친수성 표면(원래 접촉각이 90°보다 작은 표면)은 미세 구조화되면 더욱 친수성이 된다. 즉, 새로운 접촉각이 원래 접촉각보다 작아진다.[10]

고체 표면에 놓이고 기체로 둘러싸인 방울은 특징적인 접촉각 θ를 형성합니다. 고체 표면이 거칠고 액체가 고체의 미세 돌기에 밀착되어 있으면 방울은 Wenzel 상태에 있습니다. 액체가 미세 돌기의 꼭대기에 놓여 있으면 Cassie–Baxter 상태에 있습니다.


캐시와 백스터(Cassie-Baxter)는 액체가 미세 구조의 꼭대기에 매달려 있으면 θ가 θCB*로 변한다는 것을 발견했다.

:\cos\theta_\text{CB}* = \varphi(\cos\theta + 1) - 1 \,

여기서 φ는 액체에 접촉하는 고체의 면적 비율이다.[11] 캐시-백스터 상태의 액체는 벤첼 상태의 액체보다 더 이동성이 높다.

두 방정식으로 새로운 접촉각을 계산하여 벤첼 상태 또는 캐시-백스터 상태 중 어느 상태가 존재할지 예측할 수 있다. 자유 에너지 최소화 원리를 통해 예측된 새로운 접촉각이 더 작은 관계가 가장 존재 가능성이 높은 상태이다. 수학적으로 표현하면 캐시-백스터 상태가 존재하려면 다음 부등식이 성립해야 한다.[12]

:\cos\theta<\frac{\varphi-1}{r-\varphi}

캐시-백스터 상태에 대한 최근의 대안 기준은 다음 두 가지 기준이 충족될 때 캐시-백스터 상태가 존재한다고 주장한다. 1) 접촉선 힘이 지지되지 않는 방울 무게의 중력을 극복하고 2) 미세 구조가 충분히 높아서 미세 구조를 연결하는 액체가 미세 구조의 바닥에 닿는 것을 방지한다.[13]

표면 거칠기와 표면 에너지를 기반으로 벤첼 상태와 캐시-백스터 상태 간의 전환에 대한 새로운 기준이 최근에 개발되었다.[14] 이 기준은 거친 표면의 액체 방울 아래 공기 포획 능력에 중점을 두고 있으며, 특정 표면 거칠기와 에너지 조합에 대해 벤첼 모델 또는 캐시-백스터 모델 중 어느 것을 사용해야 하는지 알려줄 수 있다.

접촉각 이력현상과 미끄럼각은 소수성의 동적 측정값이다. 접촉각 이력현상은 표면 불균일성을 특징짓는 현상이다.[15] 피펫이 고체에 액체를 주입하면 액체는 어떤 접촉각을 형성한다. 피펫이 더 많은 액체를 주입하면 방울의 부피가 증가하고 접촉각이 증가하지만, 삼상 경계는 갑자기 바깥쪽으로 진행될 때까지 정지 상태를 유지한다. 방울이 바깥쪽으로 진행되기 바로 직전에 가졌던 접촉각을 진행 접촉각이라고 한다. 후퇴 접촉각은 이제 방울에서 액체를 다시 뽑아내어 측정한다. 방울의 부피가 감소하고 접촉각이 감소하지만, 삼상 경계는 갑자기 안쪽으로 후퇴할 때까지 정지 상태를 유지한다. 방울이 안쪽으로 후퇴하기 바로 직전에 가졌던 접촉각을 후퇴 접촉각이라고 한다. 진행 접촉각과 후퇴 접촉각의 차이를 접촉각 이력현상이라고 하며, 이를 사용하여 표면 불균일성, 거칠기 및 이동성을 특징지을 수 있다.[16] 균질하지 않은 표면은 접촉선의 움직임을 방해하는 영역을 갖게 된다. 미끄럼각은 소수성의 또 다른 동적 측정값이며, 표면에 방울을 놓고 방울이 미끄러지기 시작할 때까지 표면을 기울여 측정한다. 일반적으로 캐시-백스터 상태의 액체는 벤첼 상태의 액체보다 미끄럼각과 접촉각 이력현상이 더 낮다.

4. 환경과학에서의 소수성

소수성 액체(NAPL, Non-aqueous phase liquid영어)는 물질에 떨어졌을 때 접촉각이 최소가 되는, 물질에 닿았을 때 경계를 형성하는 물질을 말한다. 지하수학에서는 지하저장탱크 또는 기름 유출 사고 등으로 인해 지하수를 오염시키는 유기 오염 물질을 가리킨다. 밀도에 따라 경소수성 액체(LNAPL)와 중소수성 액체(DNAPL)로 구분한다.

4. 1. 소수성 액체 (NAPL)

NAPL, Non-aqueous phase liquid영어란 물질에 떨어졌을 때 접촉여각이 최소가 되는, 물질에 닿았을 때 경계를 형성하는 물질을 말한다. 지하수학에서는 지하저장탱크 또는 기름 유출 사고 등으로 인하여 지하수를 오염시키는 유기 오염 물질을 가리킨다. 밀도에 따라 경소수성 액체(LNAPL)와 중소수성 액체(DNAPL)로 구분한다. 경소수성 액체(LNAPL)는 물보다 비중이 작은 소수성 액체이며 휘발유가 대표적인 예이다. 중소수성 액체(DNAPL)는 물보다 비중이 큰 액체이며 드라이클리닝 용매가 대표적인 예이다.

5. 소수성의 측정

물질의 소수성 정도를 나타내는 지표로는 "물에 대한 용해도"를 구하는 방법이나, 해리도의 지표인 산해리상수를 구하는 방법이 있다. 분배계수는 어떤 물질을 물과 상분리하는 유기용매(일반적으로 n-옥탄올)에 녹여 물과 섞은 후 평형에 도달했을 때 양쪽의 농도 비율(유기용매 중의 농도 ÷ 물 중의 농도)을 구하여 측정한다. 분배계수는 종종 상용로그를 사용하여 '''LogP'''로 표시된다. 유기용매로 n-옥탄올을 사용한 경우에는 '''LogPow'''로 쓴다. 역상 크로마토그래피에서도 소수성의 정도를 알 수 있다. 컴퓨터를 이용하여 구조로부터 LogP를 예측하는 방법도 많이 개발되어 있으며, CLogP법이나 NlogP법 등이 있다.

6. 연구 개발

1964년, 데트레(Dettre)와 존슨(Johnson)은 초소수성 연잎 효과 현상이 거친 소수성 표면과 관련이 있음을 발견하고, 파라핀이나 TFE 텔로머로 코팅된 유리 구슬 실험을 바탕으로 이론적 모델을 개발했다.[17] 1977년에는 초소수성 마이크로-나노구조 표면의 자체 세척 특성이 보고되었다.[17] 1986년에서 1995년 사이에 과불화알킬, 과불화폴리에테르 및 RF 플라즈마로 형성된 초소수성 물질이 개발되어 전기습윤에 사용되었고, 생의학 응용 분야에 상용화되었다.[18][19][20][21]

최근 연구에서는 알킬케텐 이량체(AKD)를 나노 구조의 프랙탈 표면으로 고화시켜 초소수성을 얻었다고 보고되었다.[24] 그 이후로 많은 논문에서 초소수성 표면을 제작하는 다양한 방법을 제시했다. 주요 방법은 다음과 같다:



최근에는 벤첼(Wenzel) 및 캐시-백스터(Cassie-Baxter) 모델의 적용 가능성에 대한 논쟁이 제기되었다.[29] 접촉선 관점을 촉진하기 위해 고안된 실험에서는 물방울을 거친 소수성 영역의 매끄러운 소수성 지점, 매끄러운 소수성 영역의 거친 소수성 지점, 소수성 영역의 친수성 지점에 놓았다.[30] 실험 결과, 접촉선의 표면 화학 및 기하학이 접촉각과 접촉각 이력현상에 영향을 미치지만, 접촉선 내부의 표면적에는 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 또한, 접촉선의 거칠기가 증가하면 물방울 이동성이 향상된다는 주장도 제기되었다.[31]

7. 응용 분야

소수성 콘크리트는 20세기 중반부터 생산되어 왔다. 초소수성 물질에 대한 연구는 산업적 응용으로 이어질 가능성이 크다.[36]

실리카[37] 또는 티타니아[38] 입자를 졸-겔 기법으로 코팅하는 방법으로 직물을 자외선으로부터 보호하고 초소수성으로 만들 수 있다.

폴리에틸렌을 초소수성으로 만들어 자가 세척이 가능하도록 하는 방법이 보고되었다.[39] 이러한 표면의 99%의 오염 물질은 쉽게 씻겨나간다.

패턴화된 초소수성 표면은 랩온어칩 미세유체 장치에 유망하며 표면 기반 생체 분석을 크게 개선할 수 있다.[40]

제약 분야에서 제약 혼합물의 소수성은 약물 용출 및 경도와 같은 최종 제품의 품질 특성에 영향을 미친다.[41] 제약 물질의 소수성을 측정하는 방법이 개발되었다.[42][43]

수동 주간 복사 냉각(PDRC) 표면 개발은 그 효과가 태양 반사율과 열 방출율에 의존하는데, 이 표면의 청결도에 따라 "자가 세척"이 개선되었다. 휘발성 유기 화합물(VOCs)을 피하는 소수성 PDRC가 개발되었다.[44]

참조

[1] 서적 Hydrophobic Interaction Springer Science+Business Media/Plenum Press 1980-01-31
[2] 논문 Hydrophobic Plasma Polymer Coated Silica Particles for Petroleum Hydrocarbon Removal 2013-11-01
[3] 서적 A Greek-English Lexicon. revised and augmented throughout by Sir Henry Stuart Jones. with the assistance of. Roderick McKenzie. Clarendon Press 1940-01-01
[4] 서적 Biochemistry Cengage Learning 2012-01-05
[5] 논문 The Real Reason Why Oil and Water Don't Mix https://www.docdroid[...] 2011-12-09
[6] 논문 Definition of superhydrophobic states
[7] 논문 BIOMIMICRY: The Lotus Effect https://www.jstor.or[...] 2008-01-01
[8] 논문 An Essay on the Cohesion of Fluids
[9] 논문 Resistance of Solid Surfaces to Wetting by Water
[10] 서적 Capillarity and Wetting Phenomena Springer
[11] 논문 Wettability of Porous Surfaces
[12] 논문 Non-sticking Drops
[13] 논문 Modeling of ultralyophobicity: Suspension of liquid drops by a single asperity
[14] 논문 Superhydrophobic engineering surfaces with tunable air-trapping ability
[15] 논문 Contact Angle Hysteresis
[16] 웹사이트 How to measure contact angle hysteresis? https://blog.biolins[...] 2019-12-31
[17] 서적 Raster-Elektronenmikroskopie der Epidermis-Oberflächen von Spermatophyten
[18] 특허 US Patent 4,911,782 http://patft.uspto.g[...] 2015-01-13
[19] 특허 US Patent 5,200,152 http://patft.uspto.g[...] 2015-01-13
[20] 웹사이트 Stopped-Flow Cytometer https://www.nsf.gov/[...]
[21] 특허 US Patent 5,853,894 http://patft.uspto.g[...] 2015-01-13
[22] 논문 The purity of sacred lotus or escape from contamination in biological surfaces
[23] 특허 US Patent 6,767,587 http://patft.uspto.g[...] 2015-01-13
[24] 논문 Super-Water-Repellent Fractal Surfaces
[25] 논문 Effects of the Surface Roughness on Sliding Angles of Water Droplets on Superhydrophobic Surfaces
[26] 논문 Intrinsically superhydrophobic organosilica sol-gel foams
[27] 논문 Pulsed Plasma Deposition of Super-Hydrophobic Nanospheres
[28] 논문 Pearl drops
[29] 논문 Self-Cleaning Surfaces:An Industrial Perspective
[30] 논문 How Wenzel and Cassie Were Wrong
[31] 논문 Ultrahydrophobic and ultralyophobic surfaces: Some comments and examples
[32] 서적 Annual Review of Nano Research 2006-01-01
[33] 논문 UV-Driven Reversible Switching of a Roselike Vanadium Oxide Film between Superhydrophobicity and Superhydrophilicity
[34] 웹사이트 Rare earth oxides make water repellent surfaces that last http://www.tribonet.[...]
[35] 논문 Theoretical insights into the hydrophobicity of low index CeO2 surfaces
[36] 논문 Advances in superhydrophobic material research: from preparation to electrified railway protection 2024
[37] 논문 Preparation of superhydrophobic surfaces on cotton textiles 2008-07-01
[38] 논문 Superhydrophobic cotton fabrics prepared by sol–gel coating of TiO and surface hydrophobization 2008-07-01
[39] 논문 Preparation and characterization of self-cleaning stable superhydrophobic linear low-density polyethylene 2008-12-01
[40] 서적 Porous silicon protein microarray technology and ultra-/superhydrophobic states for improved bioanalytical readout 2007
[41] 논문 A drop penetration method to measure powder blend wettability 2018-03-01
[42] 논문 A regime map for granule formation by drop impact on powder beds 2013
[43] 논문 Measuring the hydrophobicity of lubricated blends of pharmaceutical excipients 2010-02-20
[44] 논문 Sustainable and self-cleaning bilayer coatings for high-efficiency daytime radiative cooling https://www.research[...] 2022-04



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