녹고 있는 얼음(빙하)을 얼릴 수 있을까? 새로운 개념 제시 
안동준(고려대)·김병수(연세대) 교수팀 연구결과, Nature Communications 게재

▲ 안동준 고려대 교수(교신저자), 김병수 연세대 교수(교신저자), 이상엽 고려대 박사(공동1저자), 김민성 연세대 박사(공동1저자), 원태경 고려대 연구원(공동1저자)

고려대 화공생명공학과(KU-KIST융합대학원 겸임) 안동준 교수팀과 연세대 화학과 김병수 교수팀은 얼음 성장을 촉진 또는 억제하는 것을 원하는대로 조절할 수 있는 개념을 새롭게 정립하고 이를 구현하는 결빙제어 소재를 개발했다.

연구성과는 복합자연과학분야의 세계적 권위 학술지인 Nature Communcations (IF=17.694)에 11월 1일자 온라인 게재됐으며, 관련 국내외 특허를 확보했다.
- 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 소재 개발은 주로 극지방 생물의 체액에 존재하는 결빙방지 단백질 (Antifreezing Proteins)의 기능을 모방함으로써, 냉해동 과정에서 얼음의 변이에 의한 생체시료의 피해를 최소화시키는 동결보존제로 활용되어 왔다. 이 결빙제어 단백질은 얼음알갱이 표면에 나노곡률을 형성시켜 얼음이 자라나는 것을 막아서(Kelvin 효과) 생물이 영하의 환경에서 생존할 수 있도록 돕는다.

지금까지 선행연구들은 얼음 성장을 최소화시키는 방향으로 초점이 맞춰져 있었으며, 이와 반대로 얼음을 빨리 자라게 만드는 소재나 조건에 따라 결빙 촉진 및 억제가 모두 가능한 소재를 개발한 연구는 보고된 바 없다. 연구팀은 3차원 구조가 정교하게 제어된 생체적합 고분자를 활용하여 얼음 형성의 촉진과 억제를 조절할 수 있었다.

연구팀은 친수성 고분자의 표면 작용기가 얼음 표면에서 결합과 해리가 시공간에서 반복될 경우 얼음 성장이 촉진되는 새로운 현상을 발견했다. 해당 소재의 농도를 조절하여 그 속도를 최대 3배 빠르게 만들거나 절반 이하 수준으로 느려지게 만드는 데 성공했다.

이러한 개념은 향후, 극지방의 빙하가 녹는 것을 방지하고 오히려 형성을 촉진시켜 지구온난화 문제에 대응할 수 있는 새로운 기술로 발전될 것으로 기대된다. 아울러, 결빙으로 특정 암세포를 사멸시키는 동결치료법과 생체시료가 얼음으로부터 받는 피해를 최소화하는 동결보존 등 다양하게 응용될 수 있다.

이번 연구성과는 과학기술정보통신부 한국연구재단이 지원하는 미래소재디스커버리 사업과 중견연구사업으로 수행됐다.


[ 용 어 설 명 ]

1. 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.

2. 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.

3. 분자동역학 시뮬레이션 (Molecular Dynamics Simulation)
○ 물리계의 원자들 사이의 힘이 주어졌을 때 이를 이용해서 뉴턴의 운동 방정식을 수치적으로 풀어냄으로써 원자들의 동역학을 계산하는 방식이다.


[ 그 림 설 명 ]

▲ 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.





커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)