흔히 필터라고 하면 큰 것은 거르고 작은 것만 통과시키는 것을 말합니다. (필터의 예시)그런데 항상 큰 것을 걸러내는 필터가 유용한 것은 아닙니다. 일반적인 필터와는 반대로 큰 물체는 그대로 통과시키고 작은 물체만 거르는 액체 필터 기술이 개발되었습니다.
버깃 보싯치(Birgitt Boschitsch Stogin, 미국 펜실베니아주립대 기계원자력공학과 연구원) 팀은 큰 물체는 통과시키고 작은 물체만 걸러내는 ‘거꾸로 필터(reverse filter)’를 개발해 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 8월 24일자에 발표했습니다.
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연구팀은 물의 표면장력에 주목했습니다. 물이 담긴 컵에 수저를 담그면 쉽게 들어가고, 다시 빼면 물의 표면은 원래대로 돌아갑니다. 그런데 먼지 같은 작은 입자를 물 표면 위에 뿌리면 물 속으로 들어가지 않고 표면에 남아있습니다. 그런 작은 입자들은 물의 표면장력을 깰 정도의 중력을 받지 못하기 때문입니다.
연구팀은 이 현상을 이용하여 거꾸로 필터를 만들었습니다. 물과 계면활성제를 섞어 액체 막을 만들고, 고체 링을 사용하여 액체 막을 지지할 수 있게 했습니다. 이때 가장 안정하고 단순한 액체 막은 탈이온화(deionized) 된 물과 도데실 황산나트륨(sodium dodecyl sulfate(SDS)) 같은 적절한 농도의 계면활성제를 섞어 만들었습니다. 여기에 목표하는 기능을 위한 다른 성분을 넣을 수도 있습니다. 도데실 황산나트륨의 농도를 조절하면 막의 표면장력도 조절할 수 있습니다.
거꾸로 필터 같은 자립형 액체 막(free-standing liquid membrane)을 실제로 응용하기 위해서는 필요한 시간 동안 기대한 특성이 존재하는 상태에서 막이 손상되지 않은 상태로 유지되어야 합니다. 막의 증발이나 액체 손실로 인해 막 손상이 이루어진다면 액체를 보충하거나 막을 만들 때 흡습성 분자를 첨가하는 방법을 사용하여 해결할 수 있습니다.
거꾸로 필터를 만들 때 사용한 수용성 기능성 분자의 넓은 활용 범위 덕분에 기체 투과성, 유동학적 (rheological) 성질, 전도율, 방충제 기능, 살균력 등의 원하는 기능을 조정할 수 있도록 액체 막을 설계할 수 있습니다. 연구팀은 자립형 액체 막의 독특한 특성을 이용해 의학, 폐기물 관리, 해충 및 질병 방제 등 다양한 분야에서 거꾸로 필터의 응용이 가능할 것이라고 예상했습니다.
연구팀이 제안한 거꾸로 필터의 응용 가능성은 크게 네 가지로 분류할 수 있습니다. 첫 번째는 곤충이나 입자를 차단하는 장벽 역할입니다. 거꾸로 필터는 어떤 임계 크기보다 작은 입자를 걸러낼 수 있도록 설계할 수 있습니다. 이 때 임계 크기는 입자의 관성 성질을 통해 알아낼 수 있고, 막의 표면장력을 조절해 원하는 임계 크기를 얻을 수 있습니다. 이 특성을 응용하면 꽃가루, 먼지 등의 공기 중 입자들이나 모기, 초파리 등의 곤충의 통과를 막는 액체 막을 만들 수 있습니다. 통과시키는 입자의 크기를 조절하면 익충인 꿀벌은 통과시키면서 초파리, 모기 같은 곤충들은 차단하는 선택적 투과 방충망으로도 활용할 수 있습니다. 실제로 연구팀은 초파리, 모기, 집파리를 거꾸로 필터에 직접 떨어뜨려 곤충들이 걸러지는 것을 확인했습니다. 날아다니는 초파리를 이용한 실험도 진행하여 죽은 곤충뿐만 아니라 살아 있는 날아다니는 곤충들도 효과적으로 막을 수 있음을 보여 주었습니다.
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두 번째는 자가 세척 능력과 막의 오염 없이 연속적으로 분리해낼 수 있는 능력입니다. 액체 막은 고체 필터와는 달리 유동적이기 때문에 걸러낸 입자들을 막 표면에서 수송할 수 있습니다. 액체 막의 이러한 특성은 고체 필터의 단점인 오염 문제를 해결한 막을 만드는데 쓰일 수 있습니다. 거꾸로 필터는 오염 문제를 다음과 같은 방법을 통해 해결할 수 있습니다. 먼저 거꾸로 필터의 막이 중력 등의 외력에 의해 막에 걸러진 입자들을 분리에 사용되는 부분 밖으로 밀어냅니다. 그 다음 그렇게 모아진 입자들의 무게가 일정 이상이 되면 다른 곳에서 제거되도록 합니다. 이 방법을 사용하게 되면 입자가 통과하고 나서도 스스로 사용할 수 있는 상태로 즉시 회복이 가능하기 때문에 연속해서 계속 사용할 수 있습니다.
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세 번째는 수술용 필름으로의 응용 가능성입니다. 막을 절개 부위에 만들어 수술용 필터로 사용하게 되면 수술용 도구들은 막을 자유롭게 통과할 수 있지만 먼지나 세균의 출입을 막아 감염 위험을 줄일 수 있습니다. 또한 막에서 걸러진 입자는 액체 계면이 이동하기 때문에 막 가장자리에 갇히게 됩니다. 연구팀은 모의 수술을 진행하여 거꾸로 필터가 외부의 오염 물질은 차단하고 내부에 있는 오염 물질(예:종양)은 수집하여 제거할 수 있음을 보여 주었습니다.
네 번째는 기체, 악취 차단입니다. 이 특성의 흥미로운 점은 거꾸로 필터가 물체는 통과할 수 있지만 기체가 확산되는 것을 막는 장벽 역할을 할 수 있다는 것입니다. 이 특성을 사용하면 고체 폐기물을 처리하면서 발생되는 악취를 간단하게 관리할 수 있습니다. 연구팀이 가장 기대하고 있는 역할 중 하나는 화장실에서의 악취 관리입니다. 거꾸로 필터를 이용해 배설물은 통과시키면서 냄새는 나오지 않게 막는다면 11억 명의 사람들이 겪고 있는 개방 배설(open defacation) 문제를 비교적 저렴하게 해결할 수 있을 것입니다.
작성자 : 최우정
<참고 문헌>
1. http://dongascience.donga.com/news.php?idx=23657
2. Free-standing liquid membranes as unusual particle separators, Science Advances 24 Aug 2018
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1. Free-standing liquid membranes as unusual particle separators, Science Advances 24 Aug 2018 Fig.2
2. Free-standing liquid membranes as unusual particle separators, Science Advances 24 Aug 2018 Fig.3
3. Free-standing liquid membranes as unusual particle separators, Science Advances 24 Aug 2018 Fig.4