나노입자 응집을 예측할 수 있는 새로운 방법

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-16

미국 연구진은 나노입자 응집을 더 잘 예측할 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 나노입자의 크기 분포는 그들의 잠재적인 독성과 나노물질의 유출에 영향을 끼친다. 나노입자의 응집을 예측하는 것은 고전적인 DLVO 이론에 의한 추정 입자-입자 상호작용을 기반으로 한다. 이것은 반데르발스 인력과 정전기적 반발력 에너지를 설명할 수 있게 한다. 그러나 비-DLVO 상호작용 에너지가 존재하는 것으로 알려져 있다. 저널 Nanotechnology에 게재된 최근 연구에서, 이번 연구진은 비-DLVO 수화 반발력 에너지(hydration repulsion energy)를 아는데 액체 속의 나노입자의 응집 반응을 정량화하는 것이 중요하다는 것을 증명했다. 이것은 높은 이온 강도(ionic strength)와 낮은 절대 제타 전위(absolute zeta potential)에서 특히 중요하다. CEIN(UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology)의 연구진은 스몰루쵸우스키 응고 방정식(Smoluchowski coagulation equation)을 푸는데 DSMC(dynamic simulation Monte Carlo)를 사용했다. 그들은 나노입자 응집체의 동역학과 입자 크기 분포를 예측할 수 있는 계산 모델을 개발했다. 개발된 모델은 고전적인 DLVO와 수화 반발력 상호작용 에너지뿐만 아니라 브라운 운동과 중력 침강(gravitational settling)을 고려할 수 있다. 시뮬레이션 결과들은 수화 반발 에너지가 높은 이온 및 낮은 절대 제타-전위 조건에서 정전기적 반발 에너지보다 상당히 더 클 수 있다는 것을 밝혀내었다. 이것은 약 20nm의 입자 크기를 가진 TiO2 나노입자의 경우에 거의 10배까지 높아질 수 있다. 이것은 수화 반발력에 대한 잘못된 계산이 나노입자 응집 크기에 대한 과대한 예측(25 nm의 실리카 나노입자의 경우에 2.5배 정도)을 초래할 수 있다는 것을 보여준다. 이것은 수화 반발력이 낮은 이온 강도와 높은 절대 제타-전위의 현탄액에서 나노입자 응집에 거의 영향을 끼치지 않는다는 것을 보여준다. 높은 이온 강도(900 mM) 또는 낮은 절대 제트 전위(≥1.35 mV)에서 TiO2, CeO2, SiO2, α-Fe2O3 (hematite)을 위한 실험적인 DLS 측정 방정식은 증가된 전체 반발 에너지로 인해서 응집체 지름을 상당히 낮출 수 있다는 것을 보여주었고, 수화 반발 에너지가 정전기적 반발 에너지 이상이 될 수 있다는 것을 증명했다. DSMC 시뮬레이션은 나노입자의 응집을 예측하는데 중요한 통찰력을 제공한다. 또한 나노입자 응집 반응의 정확한 정량적 예측과 상호작용은 입자의 제 1 원리 시뮬레이션을 기반으로 달성될 수 있다. 이번 연구진은 나노입자의 전달 특성, 그들의 환경적 분포, 독성, 잠재적인 환경적 영향 등을 모델링하는데 초점을 맞추어서 연구를 진행하고 있다. 이 연구결과는 저널 Nanotechnology에 “Effect of hydration repulsion on nanoparticle agglomeration evaluated via a constant number Monte–Carlo simulation”이라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1088/0957-4484/26/4/045708). 그림. 수성 현탄액 속에서 예측되는 SiO2 나노입자 응집체의 지름. figure1.jpg http://nanotechweb.org/cws/article/lab/59803