친수성(親水性, Hydrophile), 소수성(疏水性, Hydrophobe), 초소수성 (Superhydrophobicity)
친수성(親水性, Hydrophile)
물 분자와 쉽게 결합되는 성질을 의미한다. 일반적으로 극성을 띠며, 극성을 띠지 않으면 소수성이라 한다.
세포막을 이루고 있는 인지질이나 세제와 같은 물질은 친수성인 머리 부분(인산기와 같은 산기)과 소수성인 꼬리 부분(탄화수소)을 가지고 있는 것도 있다.
소수성(疏水性, Hydrophobe)
물 분자와 쉽게 결합되지 못하는 성질을 의미한다. 일반적으로 극성을 띠지 않으면 소수성을 띤다. 또한 소수성(양친매성)의 물질은 다른 물질과 섞이지 못하여서 소수성 물질의 위에 표면장력 때문에 동그랗게 방울이 생긴다.
생물학에서의 소수성
세포막을 이루고 있는 인지질이나 세제 또는 락스 같은 물질은 친수성인 머리 부분(인산기와 같은 산기)과 소수성인 꼬리 부분(탄화수소)을 가지고 있는 것도 있다.
소수성 액체
소수성 액체(NAPL, Non-aqueous phase liquid)란 물질에 떨어졌을 때 접촉여각이 최소가 되는, 물질에 닿았을 때 경계를 형성하는 물질을 말한다. 지하수학에서는 지하저장탱크 또는 기름유출사고 등으로 인하여 지하수를 오염시키는 유기오염물질을 가리킨다. 밀도에 따라 경소수성 액체(LNAPL)와 중소수성 액체(DNAPL)로 구분한다. 경소수성 액체는 물보다 비중이 작은 소수성 액체이며 휘발유이 대표적인 예이다. 중소수성 액체는 물보다 비중이 큰 액체이며 드라이클리닝 용매가 대표적인 예이다.
소수성 결합
소수성 결합(Hydrophobic interaction:물이란 뜻의 그리스어 Hydro-와 두려움이라는 뜻의 Phobos-가 합쳐진 형태에서 유래한 이름)은 아미노산속에 포함된, 물에 저항성을 가지고 있는 특정한 무극성 곁사슬(예: tyrosine과 valine의 곁사슬 등)에 의해 형성되는 비공유 결합이다. 이 결합들은 물을 피하려 하는 성질을 지녔기 때문에 단백질 바깥쪽의 watery medium과 떨어지려 하며 이에 따라 단백질의 중심을 향해서 위치한다. 이는 결과적으로 폴리펩타이드 사슬의 접힘이나 꼬임을 이야기한다.
소수성 (hydrophobic)
화학에서 소수성('물'이란 뜻의 Attic 그리스어 hydro- 와 '두려움'이란 뜻의 phobos가 합쳐진 형태에서 유래함)이란 물 덩어리로부터 밀린 분자(이러한 것을 소수성물질이라고 함)의 물리적 성질을 말한다.
소수성 분자는 비극성을 나타내는 경향이 있고 또 그래서 중성 분자나 비극성 용매와 잘 어울리는(?) 편이다. 물 속에 소수성 분자를 넣으면 자기들끼리 모이려 하고 동시에 마이셀 (micelle)이 형성된다. 소수성인 표면에 물을 올리면 높은 접촉각을 나타낸다.
소수성 분자들의 일반적으로 예로는 알케인, 오일류, 지방류, 기름기 있는 물질들 등이 있다. 소수정 재료들은 물에서 기름을 제거하거나, oil spills를 관리하거나, 극성 화합물에서 비극성 화합물을 화학적으로 분리하기 위한 작업에 이용된다.
소수성의 반대말로 종종 친유성 (lipophilic, "fat loving")이란 말이 쓰이지만, 사실 두 용어의 의미는 다르다. 소수성 물질이 보통 친유성이긴 하지만 가끔 예외가 있다 (실리콘이나 플루오르화 탄소).
화학적 배경
열역학에 따르면 물질은 에너지가 낮은 상태로 이동하려고 하기 때문에 결합의 화학적 에너지가 감소된다. 물은 전기적으로 극성이라서 자체적으로 물 분자들끼리 수소결합을 형성할 수 있으며 그 결과 특유의 물리적 성질들을 나타낼 수 있게 된다. 그러나 소수성 물질들 (hydrophobes)은 전기적으로 비극성이라서 수소결합을 형성할 수 없다. 물은 자기들끼리 결합하기 위해 소수성 물질들을 밀쳐낸다. 이를 소수성 상호작용 (hydrophobic interaction)이라고 한다. 그 결과 두 비혼화성 (immiscible) 상들 (친수성 vs. 소수성)의 형태가 변하고 분리된 상 간에 생긴 계면의 면적은 최소화된다. 이를 상 분리 (phase separation)이라 불리는 현상으로 시각적으로 표현할 수 있다.
응용
소수성 상호작용은 방수처리에 응용되곤 한다 (예> 유리에 NOC처리). 응용화학 및 물리에서도 이용된다.
초소수성 (Superhydrophobicity)
연꽃잎 같은 초소수성 표면은 습윤(wetting)시키기가 매우 어렵다. 물방울의 접촉각(contact angle)은 150°를 넘어가며 roll-off angle은 10° 미만이다. 이를 연꽃효과라고 한다.
이론
1805년 토마스 영은 고체 표면 위에 있고 기체로 둘러싸인 유체 방울에 작용하는 힘을 분석함으로써 접촉각 θ 를 정의하였다.
액체 방울이 고체 표면 위에 있고 기체로 둘러싸여 있다. 접촉각 θC 은 액체, 기체, 고체가 교차하는 상의 경계에서 측정된 각을 말한다.
고체 표면 위에 있고 기체로 둘러싸인 방울은 특징적인 접촉각 θ를 갖는다. 만약 고체표면이 거칠고 또 액체가 그 거친 고체표면과 잘 접촉한 경우 방울은 Wenzel 상태에 있는 것이다 (위의 그림). 만약 액체가 요철부 꼭대기에 놓인 경우 Cassie–Baxter 상태에 있다고 한다.
γSG = γSL + γLG cosθ
여기에서 γSG = 고체와 기체간 계면장력, γSL = 고체와 액체간 계면장력, γLG = 액체와 기체간 계면장력, θ 는 contact angle goniometer로 측정된다.
Wenzel의 정의에 따르면 미세구조를 갖는 표면과 액체가 잘 접촉하는 경우 θ 는 θW 로 바뀐다:
cosθW* = r cosθ
여기에서 r 은 실제 면적에 대한 투영시켰을 때의 면적의 비율이다. Wenzel's equation에 따르면 미세구조적 표면이 형성되면 표면의 natural tendency가 커지게 된다. 소수성 표면 (원래 접촉각이 90° 이상인 것)이 미세구조를 갖게 되면 더욱 더 소수성이 된다 – 새 접촉각은 원래보다 커진다. 친수성 표면 (원래 접촉각이 90° 이하인 것)은 더욱 더 친수성이 된다 – 새 접촉각은 원래보다 작아진다.
Cassie와 Baxter는 만약 액체가 그 미세구조 위에 널려있는 경우 θ 는 θCB* 로 바뀐다고 하였다
cosθCB* = φ(cosθ + 1) - 1
여기에서 φ는 고체와 액체 간 접촉면적의 비율이다. Cassie–Baxter 상태의 액체는 Wenzel 상태의 액체보다 더 유동적이다.
두 방정식을 이용하여 새로운 접촉각을 측정하면 Wenzel 상태 또는 Cassie–Baxter 상태로 존재할 수 있는지 예측할 수 있다. By a minimization of free energy argument, the relation that predicted the smaller new contact angle is the state most likely to exist. Stated mathematically, Cassie–Baxter 상태가 존재하려면 다음의 부등식이 참이어야 한다.
cos θ < (φ − 1)/(r − φ)
A recent alternative criterion for the Cassie–Baxter 상태 asserts that the Cassie–Baxter 상태 exists when the following 2 criteria are met: 1) Contact line forces overcome body forces of unsupported droplet weight and 2) The microstructures are tall enough to prevent the liquid that bridges microstructures from touching the base of the microstructures.
접촉각은 소수성의 정적인 측정법이고, contact angle hysteresis와 slide angle은 동적인 측정법이다. Contact angle hysteresis 는 표면의 heterogeneity 를 특성화시키는 현상이다. 피펫으로 고체 위에 액체를 떨어뜨리면, 그 액체는 어느 정도의 접촉각을 형성할 것이다. 피펫으로 액체를 더 떨어뜨리면 droplet 의 부피가 커지고 접촉각은 줄어들겠지만, but its three phase boundary will remain stationary until it suddenly advances outward. The contact angle the droplet had immediately before advancing outward is termed the advancing contact angle. The receding contact angle is now measured by pumping the liquid back out of the droplet. The droplet will decrease in volume, the contact angle will decrease, but its three phase boundary will remain stationary until it suddenly recedes inward. The contact angle the droplet had immediately before receding inward is termed the receding contact angle. The difference between advancing and receding contact angles is termed contact angle hysteresis and can be used to characterize surface heterogeneity, roughness, and mobility. Surfaces that are not homogeneous will have domains which impede motion of the contact line. The slide angle is another dynamic measure of 소수성 and is measured by depositing a droplet on a surface and tilting the surface until the droplet begins to slide. 일반적으로 Cassie–Baxter 상태의 액체는 Wenzel 상태의 것보다 더 낮은 slide angles와 contact angle hysteresis 를 보인다.
친수성(Hydrophilic)
Hydrophiles, 그리스어 (hydros) "water" and φιλια (philia) "bonding," refers to a 분자의 물리적 성질 that can transiently bond with water (H2O) through 수소결합. This is 열역학적으로 favorable, and makes these molecules soluble in water 뿐만 아니라, but also in 다른 극성 용매들. 세포막에는 친수성 부분과 소수성 부분이 있다.
친수성 분자 또는 portion of a molecule is one that is 일반적으로 charge-polarized and capable of 수소결합, enabling it to dissolve more readily in 물 than in 기름 또는 다른 소수성 용매들. 또한 친수성 분자 및 소수성 분자는 각각 극성 분자 및 비극성 분자라고 알려져 있다. 어떤 소수성 물질들은 용해가 되지 않는다. 이런 종류의 혼합물을 콜로이드라고 한다. 비누, which is amphipathic, has a hydrophilic head and a hydrophobic tail, 물과 기름 둘 다에 녹을 수 있게끔 만든다.
대략적인 유기화합물의 친수성을 어림잡는 방법은 다음과 같다. 5개의 탄소당 적어도 1개의 중성 친수성기가 있는 경우 또는 7개의 탄소당 적어도 1개의 전하를 띤 친수성기가 있는 경우, 물에 있는 분자의 용해도가 1 mass% 이상일 때를 친수성이라고 한다.