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문제 정의
- 계면활성제의 CMC 형성에 대조군인 증류수와 자화수는 계면활성제 종류에 따라서 서로 다르게 영향을 주었기에 이를 보고하는 바이다.
제안 방법
- 1 M 농도 용액 250(1L를 넣고 측정 cell 위에 주사기를 설치하였다. 6시간 이상 항온조 안에서 두 셀을 안정화를 시킨 후 측정 cell에 SDS 용액을 10(1L씩 5분 간격으로 24번 첨가하면서 그때의 열량 변화를 측정하였다. 자화수에 대해서도 같은 방법으로 측정하였다.
- ITC를 이용한 실험은 음이온 계면활성제인 SDS 에 대해서 측정하였다. 25 oC 항온 상태에서 reference cell과 측정 cell에 증류수 1.
- 계면활성제의 CMC 변화는 계면활성제의 특징 즉, CMC 전후의 물리화학적 인 성질이 크게 다름을 이용 하여 측정할 수 있는데 Conductivity (TPS900C, Pty. Ltd. Brisbane Co, Australia), Surface Tensiometer (K100MK2, KRUSS GmbH Germany), Isothermal Titration Calorimeter (ITC 4200, CSC Co. U. S. A) 를 이용하여 실험하였다.
- 대조군인 3 차 증류수는 증류수 제조장치 (MRUP900, Puris Co. Korea)를 사용하여 이중으로 여과한 증류수를 사용하였으며, 자화수는 약 600~800 Gauss (Gauss/Telsa meter; 4048 F.W. Bell, Orlando, U. S. A), 7 Hertz 의 맥동성 자기장을 발생시키는 장치 (Decal, Hanil, Co. Korea) 안에서 증류수를 24시간 동안 놓아둠으로써 제조하였다.6,7
- 본 연구에서는 자화수의 물리화학적인 성질을 알아보기 위해 자화수가 계면활성제의 CMC (Critical Micelle Concentration)에 미치는 영향을 전기전도도 계와 표면장력계, 그리고 등온적정열량계(Isothermal Titration Calorimeter, ITC)를 이용하여 측정하였다. 전기전도도는 두 전극 사이에 용액을 채웠을 때에 용액이 전류를 운반할 수 있는 정도를 말하며, 용액중의이온세기를 신속하게 평가할 수 있는 항목으로서 전기저항의 역수 ohm-1 또는 mho로 나타내나 현재는 국제적으로 S(Siemens) 단위가 통용되고 있다.
- 음이온 계면활성제인 SDS와 양이온 계면활성제인 CTAB 수용액의 전도도를 25 oC에서 측정하였는데, SDS는 20.0 mM의 고농도 용액을 만든 후, 고농도 용액에 증류수를 첨가하여 각각 5.0 mM부터 0.5 mM 간격으로 11.0 mM까지 11개 농도의 용액으로 희석하여 각각의 전도도를 측정하였으며, CTAB 는 2.0 mM의 고농도 용액을 만든 후, 고농도 용액에 증류수를 첨가하여 각각 0.20 mM부터 0.20 mM 간격으로 1.80 mM까지 9개 농도의 용액으로 희석한 후 각각의 전도도를 측정하였다. 자화수에 대해서도 같은 방법으로 측정하였다.
- 자동 표면 장력계를 이용하여 각 계면활성제(SDS, CTAB, Pluronic F-68)의 CMC를 미리 계산된 프로그램을 이용하여 고농도 용액 20 mL에 증류수 1 mL 씩 적정되는 자동 연속 희석 방법으로 SDS는 약 15.2 mM 〜 2.75 mM, CTAB는 1.66 mM 〜 0.317 mM, Pluronic F-68는 0.0846 mM 〜 0.0169 mM 농도까지 25 oC의 항온상태에서 CMC를 측정하였다. 자화 수에 대해서도 같은 방법으로 측정하였다.
대상 데이터
- 실험에 사용한 계면활성제는 음이온 계면활성제인 SDS (sodium dodecyl sulfate) (Sigma, U. S. A)와 양이온 계면활성제인 CTAB (cetyltrimethylammonium bromide) (Aldrich Chemical Co, U. S. A), 비이온 계면활성제인 Pluronic F-68 (Sigma, U. S. A)를 사용하였으며, 추가 정제는 하지 않았다.
- 이번 실험에 사용된 계면활성제로 음이온 계면활성제는 SDS를 양이온 계면활성제는 CTAB, 비이온 계면활성제로는 Pluronic F-68을 사용했으며, 자화수와 증류수에서 각 계면활성제들의 CMC를 측정한 결과는 Table 1과 같다. 음이온 계면활성제인 SDS의 CMC는 측정하는 기기에 따라 7.
이론/모형
- 비이온성, 양쪽성 계면활성제 수용액들은 전기전도성이 없어서 전기전도도 측정법은 부적당 하지만, 이온성 계면활성제의 CMC 결정법으로는 제일 간단한 방법으로 정확한 CMC값을 얻을수 있다. 모든 계면활성제의 CMC를 측정하는 가장 간단한 방법인 표면장력 측정법에는 여러 가지 방법이 알려져 있지만 정확성을 기하기 위해 Wilhelmy plate method 법을 주로 사용한다.8-10 각종 방법에 따라 얻어진 계면활성제의 CMC 데이터들은 Mukerjee 와 Mysel 에 의하여 보고되어졌다.
성능/효과
- 44 mM이 계산 되어 (Fig. 1) 증류수에 비해 자화 수에서 약 6.5% 정도 낮아짐을 보였다. 양이온 계면활성제 인 CTAB의 CMC는 증류수를 용매로 사용했을 경우 25 oC에서 1.
- 1. 음이온 계면활성제인 SDS의 CMC는 전도도 측정에서는 증류수에 비해 자화수에서 약 6.5 % 정도 낮은 농도에서 CMC가 형성되었고, 표면장력 측정에서는 약 2.7 % 정도 낮은 농도에서 CMC가 형성됨을보였으며, 등온적정열량계 측정에서는 약 5.6 % 정도 낮은 농도에서 CMC가 형성됨을 보였다.
- 또한, 수용액과 같은 극성 용매에서 대부분의 용질은 이온화, 이온 흡착, 이온 용해 등의 과정에 의하여 표면 전하를 띠며, 이러한 표면 전하는 인접한 극성 용매의 전하 분포에 영향을 준다 하전된 표면 근처의 극성 용매 영역은 용질의 반대이온에 의해 중성화된 전기 이중층을 형성하게 되는데, 용매와 접촉하고 있는 표면들은 양이온 보다는 음이온으로 더 하전되어 있는 경우가 많다 이것은 양이온이 음이온에 비하여더 수화되어 있어서 용매의 내부에 존재하려는 경향이 크고 음이온은 극성이 더 커서 흡착하려는 경향이더 크기 때문이다.17 따라서 증류수 보다 자화수에서 계면활성제의 소수성기들 간의 상호인력이 증가 되었 으며, 강한 전기 이중충 구조를 형성하였기에 SDS의 CMC는 약 2.7 〜 6.5 % 정도 낮아짐을보였고, CTAB 는 약 2.3 〜 3.0 % 정도 낮아짐을 보였으며, 양이온 계면활성제 보다는 음이온 계면활성제의 흡착 성질이 크기 때문에 음이온 계면활성제의 CMC 감소 효과가약 3% 더 크게 나온 것이라 생각 할 수 있다. 비이온 계면활성제의 친수성기는 음의 부분전하 분포를, 소수성기는 양의 부분전하 분포를 이루고 있는데,17 자화수의 수많은 물 분자들에 의해 둘러싸여진 계면활성제는 소수성기에서의 양의 부분전하가 크게 증가하여 정전기적 반발이 작아지기 때문에 그 감소 효과가 크게 측정된 것이라 생각되며, 이는 반대이온의 세기에 의해서 보다 더 쉽게 엉키게 된다고 설명했던 Schultz-Hardy의 규칙에서 나타난 것과 같다.
- 99 mM이 계산되어 (Fig. 2) 증류수에 비해 자화수에서 약 3.0% 정도 낮아지는 경향을 보였다.
- 2. 양이온 계면활성제인 CTAB의 CMC는 전도도 측정에서는 증류수에 비해 자화수에서 약 3.0 % 정도 낮은 농도에서 CMC가 형성됨을 보였고, 표면장력 측정에서는 증류수에 비해 자화수에서 약 2.3 % 정도 낮은 농도에서 CMC가 형성되는 경향을 보였다.
- 비이온 계면활성제의 친수성기는 음의 부분전하 분포를, 소수성기는 양의 부분전하 분포를 이루고 있는데,17 자화수의 수많은 물 분자들에 의해 둘러싸여진 계면활성제는 소수성기에서의 양의 부분전하가 크게 증가하여 정전기적 반발이 작아지기 때문에 그 감소 효과가 크게 측정된 것이라 생각되며, 이는 반대이온의 세기에 의해서 보다 더 쉽게 엉키게 된다고 설명했던 Schultz-Hardy의 규칙에서 나타난 것과 같다.25 자화 수가 수많은 cluster들을 형성함으로서 증류수 보다 강한 전기이중층구조를 형성한 것이라 생각되어지며그 결과Pluronic F-68의 CMC는 다른 계면활성제 보다 감소효과가 크게 측정되었으며 약 24.2 % 정도 낮아짐을 보였다.
- 3. 비이온 계면활성제인 Pluronic F-68의 CMC는 표면장력 측정에서 증류수에 비해 자화수에서 약 24.2 % 정도 낮은농도에서 CMC가 형성됨을 보였다.
- 4. 자화수는 증류수에 비해 계면활성제인 SDS, CTAB, Pluronic F-68 등에 더 긴밀하게 반응하여 소수성 상호작용 및 강한 전기 이중층 구조를 형성하여 계면활성제 분자간 응집력을 빠르게 증가시켰다.
- 6 모든 물분자들은 변화하는 자기장, 예를 들면 맥동성 자기장에 의하여 반응할 수 있는데 이는 수소원자가 고주파수의 강한 자기장에 의하여 유도되는 magnetic resonance와 구별되는 현상으로 고주파수의 강한 자기장은 수소원자가 순간적으로 자기장 방향으로 spin 배열을 한 후에 바로 원상 복구 되지만, 계속적으로 수소원자의 spin 배열이 지속되는 경우에는 수소원자가 물분자의 쌍극자 특성인 H+에 영향을 주어서 물분자 배열에 영향을 주게 되는 것이다.6 이러한 현상은 자화수의 NMR 관찰에서 T2 relaxation time이 증가되어지는 것으로 알수 있는데, 이러한 자화수의 물분자 재배열 현상은 자화수를 평상 상태로 방치하였을 경우에도 기억 현상이 있어서 대략 12시간 정도 경과하여야 T2 relaxation time의 증가현상이 거의 원래 상태로 환원되는 것을 확인하였다.6
- 28,29 앞으로 인류의 수자원의 어려움을 해결하기 위해서는 물에 대한 폭넓은 연구가 수행되어야 할 것이다. 본 연구에서는 자화수의 기억현상(memory effect)을 이용하여 24시간 동안 약 800 Gauss의 맥동성 자기장으로부터 얻은 자화수를 사용해 계면활성제의 CMC가 2.3 - 24.2% 감소된 결과를 얻었으며, 만약 보다 높은 자기장 또는 24시간 이상의 자화 시간으로 자화 처리되는 환경에서 계면활성제의 CMC 변화를 관찰한다면 더 저 농도에서 CMC가 형성될 것이라 생각된다. 계면활성제의 CMC가 증류수보다 자화수에서 낮아졌다는 것은 세제를 사용한 환경오염을 줄일 수 있는 가능성을 가지고 있으므로 이러한 현상을 인류생활에 이용하기 위해서는 앞으로 자화수의 분자 물리화학적 및 분자생물학적 연구가 심도 있게 수행되어야 한다고 사료 된다.
- 음이온 계면활성제인 SDS의 CMC를 측정한 결과 증류수를 용매로 사용했을 경우 25 oC에서 7.96 mM 이 계산 되었으나, 자화수를 용매로 사용했을 경우에는 7.44 mM이 계산 되어 (Fig. 1) 증류수에 비해 자화 수에서 약 6.
- 음이온 계면활성제인 SDS의 CMC를 측정한 결과 증류수를 용매로 사용했을 경우에 25 oC에서 8.31 mM이 측정되었으나(Fig. 6), 자화수를 용매로 사용 했을 경우에 25 oC에서 7.93 mM이 측정되어(Fig. 7) 증류수에 비해 자화수에서 CMC가 약 5.6% 정도 낮아짐을 보였다.
- 표면 장력계를 사용하여 25 oC에서 각 계면활성제 (SDS, CTAB, Pluronic F-68)의 CMC를 측정한 결과 SDS의 CMC는 증류수에서는 8.61 mM, 자화수에서는 8.38 mM이 계산 되어 2.7% 낮아짐을 보였으며, CTAB의 CMC는 증류수에서는 0.88 mM, 자화수에서는 0.86 mM이 계산 되어 2.3% 낮아짐을 보였다. 또한, Pluronic F-68의 CMC는 증류수에서는 0.
후속연구
- 자화수의 물리화학적 현상은 이 실험에 국한되는 것이 아니라 다른 광범위한 생물현상에서도 나타나고 있으며,4-7,15,26,27 특히 최근에는 nano/micro clustered water 라는 새로운 개념의 물이 생체에 중요한 영향을 미치는 현상들이 연구되고 있다.28,29 앞으로 인류의 수자원의 어려움을 해결하기 위해서는 물에 대한 폭넓은 연구가 수행되어야 할 것이다. 본 연구에서는 자화수의 기억현상(memory effect)을 이용하여 24시간 동안 약 800 Gauss의 맥동성 자기장으로부터 얻은 자화수를 사용해 계면활성제의 CMC가 2.
- 2% 감소된 결과를 얻었으며, 만약 보다 높은 자기장 또는 24시간 이상의 자화 시간으로 자화 처리되는 환경에서 계면활성제의 CMC 변화를 관찰한다면 더 저 농도에서 CMC가 형성될 것이라 생각된다. 계면활성제의 CMC가 증류수보다 자화수에서 낮아졌다는 것은 세제를 사용한 환경오염을 줄일 수 있는 가능성을 가지고 있으므로 이러한 현상을 인류생활에 이용하기 위해서는 앞으로 자화수의 분자 물리화학적 및 분자생물학적 연구가 심도 있게 수행되어야 한다고 사료 된다.
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