소금이 계면활성제와 같은 역활을 한다는 현상을 발견
-혼합액체에 나타난 새로운 구조- From KEK
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고에너지가속기연구기구(KEK)를 중심으로 한 연구그룹은, 기름과 같은 유기용매와 물의 혼합액에 소금을 첨가하면, 나노미터에서 마이크로미터 스케일에 달하는 계층적인 구조가 나타난다는 것을 세계에서 처음으로 발견했다. 이것은, 소금이 계면활성제와 같은 작용을 한다는 것을 나타내는 것으로, 세정이나 유화와 같은 작용을 일으키는 것도 가능하게 된다. 이 성과를 응용하면, 앞으로 비누나 유화제와 같은 환경적합성 재료의 개발도 가능해 질 것으로 보인다.
KEK의 세토(瀬戸)교수와 사다카네(貞包)공동이용연구원 그룹은, 쿄토대학 오누키(小貫)교수, 니시다(西田)교수, 일본원자력연구개발기구(JAEA)코이즈미(小泉)주임연구원과 공동으로, JAEA연구용원자로JRR-3M 의 중성자소각산란장치 ※１SANS-J와PNO 를 이용하여 실험을 하였다. 중수와 유기용매인 3메칠피리진의 혼합액에 테트라페닐붕산나트륨을 첨가하면, 나노스케일의 막상(膜状)구조가 등간격으로 배열되고, 그것이 양파와 같은 층을 이루어 직경 수 십 나노마이크로미터 정도의 구상(球状) 이 형성된다.
그림1은 광학현미경 관찰의 결과이다. (a)에 보이는 것과 같이 고온50℃ （절대온도 323K）에서는 균일하여 아무런 패턴도 보이지 않으나, 40℃(313K)까지 내리면 (b)와 같은 구상(球状) 의 패턴이 나타나기 시작한다. 그리고 온도를 내림에 따라 구(球)의 사이즈와 수가 증대하여, 20℃(293K)에서는 전체가 구상(球状)에 의해 매워진다. (b)의 확대그림이 ( b’)로, 구(球)의 직경이 거의 20마이크로미터 정도로 균일하게 모여있는 것을 알 수 있다. 또한 그 오른쪽은 (b’)를 편광현미경으로 본 그림으로, 구상(球状)속에 「몰타 십자(Maltese cross)」라고 불리는 십자의 패턴이 보인다. 이것은 친양쪽성분자의 혼합액 등에서 양파상의 계층구조가 만들어졌을때 보이는 패턴이다. 이 결과를 입증하기 위하여, 세토교수 그룹은 중성자소각산란으로 나노스케일의 구조의 변화를 조사했다.
그림2는 그 결과로, 45℃（３１８K）보다도 고온일 경우는 완만한 피크가 보이는 데 반하여, 저온에서는 몇개의 피크가 뚜렷하게 보인다. 또한 이 피크는 온도와 함께 작은 운동량 쪽으로 이동하고 있다. 이 결과는 10나노미터 정도의 일정한 간격의 구조가 형성되어, 온도를 내림에 따라 주기가 커진다는 것을 나타내고 있다. 이 중성자소각산란에서 얻어진 패턴이 어떠한 구조의 반영인지를 밝히기 위하여, 이론적 설명을 시도한 것이 그림 2의 실선이다. 고온에서의 구조는 2007년의 연구결과와 마찬가지로 이온이 물분자를 끌어당김으로 생기는 클러스터에 관한 이론으로 설명될 수 있다. 그에 반하여 저온에서 몇개의 피크가 뚜렷하게 나타나는 구조는, 친양쪽성 분자계에서 사용하는 라멜라(Lamella)구조의 이론곡선으로 설명되었다.
소금의 양이온은 물에 녹기쉬운 성질을 가진 것에 대하여 음이온은 기름에 녹기 쉬운 성질을 가진다. 그러므로 물이나 기름과 같은 유기용매의 혼합액에 용해시키면, 양이온이 물분자를 끌어당기는 것과 같이 음이온은 기름분자를 끌어당긴다. 이들 이온들 사이에 작용하는 정전기력에 의하여 표면장력이 감소하면서, 마치 친양쪽성분자가 가지는 계면활성효과와 같은 성질이 나타나게 되는 것이다.
본 연구결과는, 미국물리학회지 「Physical Review Letters」에 10월16일 게재되었다.
