녹고 있는 얼음(빙하)을 얼릴 수 있을까? 새로운 개념 제시 안동준 교수팀, Nature Communications 게재
고려대학교 화공생명공학과(KU-KIST융합대학원 겸임) 안동준 교수팀과 연세대학교 화학과 김병수 교수팀은 얼음 성장을 촉진 또는 억제하는 것을 원하는대로 조절할 수 있는 개념을 새롭게 정립하고 이를 구현하는 결빙제어 소재를 개발하였다. 이 연구성과는 복합자연과학분야의 세계적 권위 학술지인 Nature Communcations (IF=17.694)에 2022년 11월 1일자 온라인 게재되었으며, 관련 국내외 특허를 확보하였다.
저자정보: 안동준(교신저자, 고려대), 김병수(교신저자, 연세대), 이상엽(공동1저자, 고려대), 김민성(공동1저자, 연세대), 원태경(공동1저자, 고려대) 논문명: Janus
Regulation of Ice Growth by Hyperbranced Polyglycerols Generating Dynamic
Hydrogen Bonding
결빙제어 소재는 냉•해동 과정에서 얼음알갱이에 의해 생체시료가 손상되지 않도록 하는 동결보존제로 사용된다. 주로 극지방 생물의 체액에 존재하는 결빙방지 단백질 (Antifreezing Proteins)의 기능을 모방하는 방식으로 개발된다. 결빙방지 단백질은 얼음 표면에 나노곡률을 형성시켜 얼음알갱이가 급속히 자라나는 것을 막아(Kelvin 효과) 생물이 영하의 환경에서 생존할 수 있도록 돕는다.
(그림) 새로운 개념이 적용된 소재의 결빙제어 성능 결과 결빙제어 고분자의 형태와 농도에 따라 얼음 성장과 재결정화 현상이 촉진되거나 억제됨. 표면 작용기가 얼음 표면과 결합과 해리가 시공간에서 반복될 경우 얼음 성장이 촉진됨.
연구팀은 얼음 표면에서 친수성 고분자의 표면 작용기가 결합과 해리를 반복하면 얼음 성장이 촉진되다는 사실을 발견했다. 해당 소재의 농도를 조절하여 그 속도를 최대 3배 빠르게 만들거나 절반 이하 수준으로 느려지게 만드는 데 성공하였다. *결빙제어단백질 (Antifreeze Protein, AFP):
극지 생물 체내에 존재하는 결빙제어단백질은 혈액에 생긴 얼음 알갱이 표면에 달라붙음으로써 얼음표면에 곡률을 형성시킨다. 이러한 곡률은 얼음이 자라나는 것을 막음으로써(Kelvin 효과) 극지방의 생물이 영하의 환경에서 생존할 수 있도록 한다. *얼음 재결정화 (Ice
Recrystallization): 얼음이 영하의 온도에서도 크기가 커지는 현상이며,
ostwald-ripening 과정에 의해 작은 얼음이 큰 얼음에 흡수되는 방식으로 진행된다. 얼음
재결정화는 냉동 및 해동 과정에서 발생하며 생체시료에 피해를 주는 것으로 알려져 있다.
*분자동역학 시뮬레이션
(Molecular Dynamics Simulation): 물리계의 원자들 사이의 힘이 주어졌을 때 이를 이용해서 뉴턴의 운동 방정식을
수치적으로 풀어냄으로써 원자들의 동역학을 계산하는 방식이다.
지금까지 결빙제어 연구는 대부분 얼음의 성장을 최소화시키는 데 집중돼 있었다. 반면, 연구팀은 3차원 구조가 정교하게 제어된 생체적합 고분자를 활용하여 얼음 성장의 촉진과 억제를 모두 조절할 수 있었다.
이번 결과는 극지방의 빙하가 녹는 것을 방지하고 얼음 형성을 촉진시켜 지구온난화 문제에도 대응하는 데 도움이 될 전망이다. 아울러, 결빙으로 특정 암세포를 사멸시키는 동결치료법과 생체시료를 얼음 결정으로부터 보호하는 동결보존 등에도 활용 가능하다. 이번 연구성과는 과학기술정보통신부 한국연구재단이 지원하는 미래소재디스커버리사업과 중견연구사업으로 수행되었다.
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