나노기술 및 정책 정보

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나노입자가 폴리머(polymer) 화합물, 생물 점액(粘液) 등 복잡한 유체(流體) 속에서 확산되는 운동은 중요한 응용 배경을 가지고 있으며 약물 수송의 핵심적인 물리적 메커니즘 중의 하나로 평가 받고 있음. 폴리머 화합물 등 복잡한 유체는 미시적인 비(非) 균일 구조를 가지고 있기 때문에 나노입자 확산운동의 비정상적인 특징을 나타냄.

기존 연구 결과에 따르면, 희석된 폴리머 화합물 용액(dilute polymer solution)에 대해서는 나노 입자의 확산이 주로 폴리머 화합물로 형성된 네트워크 스케일에 의해 제한되며, 나노 입자의 직경이 네트워크 메쉬 크기보다 작을 때 폴리머 네트워크를 관통하는 호핑(hopping) 행위가 일어나는데 이것을 호핑 확산(hopping diffusion) 이라고 함.

이러한 긴 범위 이동의 호핑은 비교적 붐비는 마이크로 환경에서 향상된 전송을 수행할 수 있으며, 폴리머 농도가 상승함에 따라 용액 속에서 네트워크 스케일이 감소되며, 기존의 이론에 따르면, 얽힌 폴리머 용액(entangled polymer solution)에서 나노입자의 호핑 확산은 더 이상 발생하지 않는다고 함.

중국과학원 역학(力學) 연구소 산하 "비(非) 선형 역학 국가 중점 실험실" 소속 "마이크로 나노 유체 역학 연구팀"은 폴리머 농도 조절을 통해 희석 용액과 엉킨 용액(tangled solution)을 포함한 실험을 실행하고, 균일한 위치 변위 MSD와 변위 확률 밀도 분포 DPD를 결합하여 희석된 폴리머 용액 속에서 일반적인 호핑 확산의 통계적 특성을 확인함.

연구팀은 폴리머 화합물 용액 속의 나노입자 확산 운동 특징과 메커니즘에 대한 연구를 실행하였는데 높은 농도에서도 엉킨 폴리머 용액 네트워크 구조 특징 공간 스케일(tube diameter dt)이 나노 입자 스케일보다 작을 경우 나노 입자 운동은 간헐적으로 큰 변위를 초래하여 DPD 지방 꼬리(肥尾) 분포(fat tail distribution)(비미(肥尾) 부분은 더욱 높은 확률로 큰 위치 이동을 관측하는 상황을 대표함)를 형성하는 것으로 나타났음.

나노입자 스케일이 비교적 크기 때문에(d>dt) 일반적인 호핑 확산은 큰 변위 이동 현상을 해석할 수 없으며, 연구팀은 나노입자가 활성화를 통해 주변 네트워크 구조의 구속을 극복할 수 있다는 점을 발견하고, 동 메커니즘을 활성화 호핑(activated hopping)이라고 명명하였음. 희석 용액 속의 큰 변위 이동 호핑 현상이 비교적 안정적으로 나타나는 것과 달리 비(非) 가우스 계수(non-Gaussian coefficient) a가 비미(肥尾) 정도의 크기를 표시할 경우 엉킨 용액 속의 큰 변위 이동 호핑은 미시적 네트워크 이완 시간 te와 거시적 용액 이완 시간 trep 사이에서 발생함.

연구팀은 측정을 통해 활성화 호핑이 발생하는 특징을 나타내는 시간인 thop에 대해 해석하고, 무차원 비율(dimensionless scaling rate) thop/te~exp(d/dt)을 설정하였는데 이 무차원 관계는 엉킨 폴리머 용액 속의 활성화 현상 발생 빈도가 Boltzmann 관계 및 Arrhenius 활성화 관계에 부합함을 나타내며, 폴리머 용액 속에서 활성화 현상이 극복해야 할 자유 에너지 장벽은 DG~kBT(d/dt)에 부합함을 나타내고 있음.

연구팀은 엉킨 폴리머 용액 속에서 활성화 호핑 발생 가능성을 제기하였으며, 최초로 실험 시스템을 통해 관련 운동 특징을 해석하고, 활성화 호핑 특성 시간의 표준비율을 개발, 혼잡한 생물학적 미세 환경에서 나노입자 수송을 강화하는 새로운 메커니즘을 제시하고, 특성 준비 시간과 활성화 호핑 시간 간의 경쟁을 통해 복잡한 유체(流體)에서 활성화 호핑 발생의 이론적 근거를 제시하였음.

본 연구 성과는 ‘Nano Letters’ ("Diffusion of Nanoparticles with Activated Hopping in Crowded Polymer Solutions") 지에 게재됨.