답변 내역

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.PNIPAm(폴리 N-아이소프로필아크릴아마이드)은 온도 변화에 따라 수용액 상태에서 형태가 극적으로 바뀌는 대표적인 열반응형 고분자입니다. 기본적으로 순수한 PNIPAm의 최저 상혼합 온도(LCST)는 약 32°C입니다. 이 온도를 기점으로 친수성 대 소수성 비율을 조절해 LCST를 바꿀 수 있는 화학적 원리와 조절 방법, 그리고 제약 산업에서의 활용에 대해 아는 범위에서 설명해 드릴게요.PNIPAm은 LCST 이하에서는 물과의 수소 결합으로 녹지만, 온도가 올라가면 수소 결합이 깨지고 소수성 상호작용이 우세해져 뭉쳐지게 됩니다. 이때 친수성 작용기 비율을 높이면 수소 결합이 증가하여 LCST가 상승하고, 소수성 작용기 비율을 높이면 낮은 온도에서도 쉽게 응집되어 LCST가 하강합니다. 작용기 비율은 NIPAm 단량체 합성 시 친수성 또는 소수성 단량체를 섞는 공중합으로 조절합니다.제약 산업에서는 PNIPAm의 LCST가 체온과 가깝다는 점을 활용합니다. 체온에서 수축하며 약물을 방출하는 표적 약물 전달 시스템이나, 온도 변화만으로 세포 손상 없이 배양 세포를 회수하는 세포 시트 공학 등에 핵심 소재로 쓰입니다. 또한, 온도를 살짝 바꾸는 것만으로 특정 단백질, 항체, DNA 등을 선택적으로 흡착했다가 떨어뜨리는 진단용 센서 및 바이오 물질 정제 시스템에 활용되기도 합니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.솔방울은 이미 죽은 세포 조직으로 구성되어 있지만, 비늘의 이중층 구조와 수분을 만났을 때의 세포벽 팽창률 차이 덕분에 날씨에 따라 스스로 오므라들었다 펴기는 현상이 나타납니다.솔방울 비늘의 바깥층은 수분을 흡수하면 길이 방향으로 크게 팽창하지만, 안쪽층은 길이 변화가 거의 없습니다. 따라서 비가 오거나 습도가 높으면 바깥층만 길어져 안쪽으로 휘어지면서 솔방울이 꽉 닫히게 됩니다.반대로 날씨가 건조해지면 흡수했던 수분이 증발하면서 바깥층이 다시 수축하고, 구부러졌던 비늘이 펴지며 솔방울이 활짝 열립니다. 이 원리를 통해 솔방울은 씨앗이 물에 젖지 않도록 보호하고, 건조한 날 바람을 타고 씨앗을 멀리 퍼뜨리게 되는 것입니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.물 위에 있는 물 분자들은 공기가 끌어당겨질 힘이 없기 때문에, 옆과 아래쪽에 있는 물 분자들과 더 강하게 밀착하는 표면장력이 작용합니다. 소금쟁이가 물 위에 떠 있을 수 있는 것은 이 표면장력과 소금 쟁이 다리의 초방수성 미세 구조 덕분입니다.물 분자들은 서로 강하게 끌어당겨 수면에 팽팽한 막 같은 표면장력을 형성하고, 소금쟁이 다리 표면에 나 있는 수천 개의 미세한 털들이 공기를 가두어 얇은 공기막을 만드는데, 이 구조가 물을 강력하게 튕겨내 다리가 전혀 젖지 않게 합니다.또한 가벼운 몸무게를 긴 다리로 수면에 넓게 분산시켜 누르면, 팽팽해진 수면이 반대 방향으로 밀어 올리는 힘을 발휘하여 빠지지 않고 물 위를 뛰어 다닐 수 있는 것입니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.늪이나 유사는 고체처럼 보이지만, 외부에서 충격을 주면 순식간에 구조가 무너져 액체처럼 변하는 비뉴턴 유체입니다.그래서 발버둥을 치면 모래가 액체처럼 변하면서 몸이 아래로 더 깊이 빨려 들어가다 이후 움직임을 멈추면 모래 입자가 가라앉아 다리 주변을 진공 상태로 압착하여 꽉 물게 되어 빠져 나올 수 없게 만듭니다.하지만 사람의 몸은 유사보다 밀도가 낮아 가만히 있으면 허리춤에서 자연스럽게 부력으로 뜨게 되면서 늪에 빠졌을 때는 발버둥을 멈추고, 뒤로 누워 몸의 표면적을 넓혀 부력을 극대화해야 합니다. 그 후 다리를 좌우로 아주 조금씩 흔들어 모래 사이에 물이 스며들게 해 압착에서 벗어난 후, 뒤로 누운 채 배영을 하듯 천천히 빠져나와야 합니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.과학에서 물질의 변화는 크게 물리 변화와 화학 변화로 나뉘는데, 그 핵심 기준은 분자의 성질이 바뀌어 새로운 물질이 되는지의 여부입니다. 물리 변화는 물질을 구성하는 분자의 종류와 본래 성질은 그대로 유지된 채, 분자 사이의 거리나 상태, 모양만 바뀌는 현상입니다. 따라서 얼음이 녹는 것은 물리 변화입니다. 상태만 고체에서 액체로 변했을 뿐, 분자 구조와 본래 성질은 그대로 유지되며 다시 얼리면 원래대로 돌아오기 때문입니다. 화학 변화는 물질을 구성하는 원자들 사이의 결합이 끊어지고 재배열되면서, 원래와는 전혀 다른 새로운 물질이 만들어지는 현상입니다. 따라서 종이가 타는 것은 화학 변화입니다. 종이 성분이 산소와 반응하여 원자 결합이 깨지고 재배열되면서 이산화탄소와 재라는 전혀 다른 물질로 바뀌며, 다시 종이로 되돌릴 수 없기 때문입니다.즉, 분자 자체는 유지된 채 모양이나 상태만 바뀌면 물리 변화, 원자 재배열로 완전히 새로운 물질이 만들어지면 화학 변화입니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.질문자님 말씀처럼 일상생활에도 존재하며 과학 및 산업적으로 매우 중요한 역할을 하고 있습니다. 우리가 아는 일반적인 물(H2O)은 산소 원자 1개와 수소 원자 2개로 이루어져 있습니다. 여기서 중수(D2O)는 일반 수소 대신 질량이 두 배인 중수소가 산소와 결합하여 만들어진 물을 말합니다. 이로 인해 일반 물보다 밀도가 약 11% 더 높습니다.중수는 우리가 마시는 수돗물이나 바닷물 등 일상생활 속 자연계에도 극미량 존재하지만, 양이 너무 적어 인체에 아무런 영향을 주지 않습니다. 이러한 중수는 결합력이 강하고 고속 중성자의 속도를 늦추는 성질이 탁월하여 원자력 발전소의 감속재와 냉각재로 주로 쓰입니다. 또한 복잡한 화학 물질의 분자 구조 분석이나, 약물의 체내 대사 속도를 늦추는 신약 개발 등 첨단 과학 산업에서도 핵심적으로 활용됩니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.커피나 에너지 음료를 마신 후 화장실에 자주 가게 되는 이유는 카페인이 신장에서 일으키는 분자 수준의 수용체 차단과 삼투압 원리 때문입니다.먼저, 커피에 들어 있는 카페인은 아데노신 수용체를 차단해 신장으로 가는 혈관을 확장시켜서 신장의 여과기인 사구체로 향하는 혈류량이 급격히 증가하면서 평소보다 훨씬 많은 양의 혈액이 걸러지게 됩니다.또한, 카페인은 신장 세뇨관에서 나트륨이 몸속으로 재흡수되는 과정을 방해하는데, 나트륨이 체내로 돌아가지 못하고 세뇨관에 남게 되면 농도 차이로 인해 삼투압 현상이 일어납니다. 수분이 농도가 높은 나트륨을 따라 강하게 끌려가면서, 몸으로 흡수되지 못하고 대량의 소변으로 배출됩니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.여름철에 땀을 흘리거나 아파서 열이 나면 우리 몸에서 수분만 빠져 나가는 것이 아니라 몸속에 수분과 함께 나트륨, 칼륨, 염화이온 같은 전해질 물질이 함께 빠져나갑니다. 이때 이온은 보충하지 않고 맹물만 마시면 체내 체액의 이온 농도가 급격히 묽어집니다. 우리 몸은 농도를 일정하게 유지하려는 성질이 있어서, 농도를 맞추기 위해 오히려 흡수한 수분을 소변으로 빠르게 배출해버립니다.반면, 체액과 유사한 농도의 전해질(나트륨, 칼륨)과 포도당이 포함된 이온 음료를 마시면, 장 점막의 단백질을 통해 이온과 당분이 세포 안으로 빠르게 흡수됩니다. 이로 인해 세포 내 이온 농도가 높아지면 삼투압 현상이 일어나 수분이 전해질을 따라 세포 안으로 들어가게 됩니다. 따라서 운동 후 땀을 많이 흘렸거나 몸이 안 좋을 때 이온 음료를 마시면 맹물보다 수분 흡수 속도가 훨씬 빠르며, 손실된 전해질을 즉각 보충해주어 무기력해진 신경과 근육의 정상적인 기능 회복하는데 도움을 줍니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.mRNA 백신은 진짜 바이러스 대신 표면 스파이크 단백질을 만드는 유전 정보를 활용하여 우리 세포 내의 단백질이 바이러스 표면의 스파이크 단백질을 만들어 내는 원리입니다.이 유전 정보는 체내에서 파괴되지 않도록 지질 나노입자로 안전하게 포장되어 세포 내로 전달됩니다. 우리 세포는 이 유전 정보를 바탕으로 스스로 스파이크 단백질을 만들어냅니다. 이때 단백질 생성을 마친 mRNA는 세포핵에 들어가지 못하고 며칠 내로 완전히 분해되므로 사람의 유전자를 변형시킬 수 없습니다. 한편, 생성된 스파이크 단백질을 외부 침입자로 인식한 면역 체계는 항체와 기억 세포를 대량으로 만들며 방어 훈련을 마칩니다. 이후 진짜 바이러스가 몸에 침투하면, 미리 훈련된 면역 체계가 이를 즉각 알아보고 파괴하여 감염을 막아내는 원리입니다.기존 백신은 까다로운 생물학적 배양 공정인 반면, mRNA 백신은 정밀하게 통제된 생화학적 합성 공정이기 때문에 속도에서 압도적인 차이가 납니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.보통, 물질을 가열하면 온도가 계속 올라가지만, 상태변화가 일어나는 동안에는 열을 아무리 가해도 온도가 상승하지 않는데 이 열을 잠열이라고 합니다. 잠열은 물질이 상태 변화 할 때 쓰이는 에너지로 온도 변화가 없이 일정한 구간으로, 이 구간에서는 열에너지를 흡수하거나 방출하게 됩니다. 열을 0°C의 얼음이 물로 변할 때 가해진 열은 분자 운동이 활발해 지면서 온도를 올리는 대신, 얼음 결정의 단단한 수소 결합을 깨고 물로 변화시키는데 모든 에너지가 쓰입니다.열이 분자 간 결합을 끊는 데만 소비되기 때문에, 얼음이 모두 녹아 액체가 될 때까지 온도는 0°C로 일정하게 유지됩니다. 이처럼 고체가 액체로 변할 때 필요한 잠열을 융해열이라 하며, 얼음의 단단한 구조를 풀어 유연한 액체 상태로 전환하는 역할을 합니다.