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달콤함이 가득! 과학자들의 사탕 실험실

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달콤함이 가득! 과학자들의 사탕 실험실

2016.03.13 10:00

이혜진 제공
일러스트 이혜진

 

 

"우리 과학자들은 사탕을 먹는 것도 좋아하지만 사탕으로 실험하는 걸 더 좋아하지. 사탕으로 어떻게 신기한 연구를 할 수 있는지가 궁금하다면 나를 따라오게!"

 

 

 

 

 

 

솜사탕으로 만드는 인공 혈관

 

모세혈관은 아주 가는 굵기의 혈관으로, 온몸 구석구석 닿지 않는 곳이 없을 정도로 넓게 퍼져 있어요. 이 혈관은 화학물질을 몸속 곳곳에 전달하는 역할을 하지요. 모세혈관을 한 줄로 이으면 10만km가 넘는답니다.

 

인공 모세혈관을 만드는 작업은 매우 어려워요. 모세혈관처럼 굵기가 얇고 복잡하게 얽혀 있는 구조를 만드는 것이 어렵기 때문이지요. 그런데 인공 모세혈관을 연구하던 미국 반더빌트대학교 성학준 교수팀은 엉뚱하게도  ‘솜사탕’에 주목했어요.

 

얇은 실이 뭉쳐 있는 모습이 마치 몸속에 퍼져 있는 모세혈관과 비슷하다고 본 연구팀은 연구실에 솜사탕 기계를 설치하고 인공혈관을 만드는 연구를 시작했어요.

 

솜사탕 기계로 인공 혈관을 만드는 모습(왼쪽)과 연구팀이 제작한 인공 모세혈관(오른쪽). - Joe Howell, Bellan Lab, Vander bilt 제공
솜사탕 기계로 인공 혈관을 만드는 모습(왼쪽)과 연구팀이 제작한 인공 모세혈관(오른쪽). - Joe Howell, Bellan Lab, Vander bilt 제공

연구팀은 설탕 대신 ‘PNIPAM’이라는 물질로 실뭉치를 만들었답니다. PNIPAM은 인공적으로 만든 사슬 모양의 화학물질로, 평소엔 액체 상태지만 32℃ 이상의 온도에선 사슬들이 서로 결합해 고체로 변해요. 온도에 따라 상태를 쉽게 변화시킬 수 있고 인체에 해를 주지 않아 인공 생체 재료로 많이 사용되지요. 실제로 연구팀이 실험해 본 결과, 솜사탕 기계로 만든 인공 모세혈관은 실제 모세혈관처럼 주변의 세포에 화학물질을 성공적으로 전달했어요.

 

솜사탕 기계로 인공 혈관 만드는 방법! ① 솜사탕 기계에 PNIPAM을 넣어 PNIPAM 뭉치를 만든다. ② PNIPAM 뭉치에 세포가 섞여있는 젤라틴 용액을 붓는다. ③ 온도를 37˚c로 유지하며 젤라틴을 굳힌다. 그러면 말랑말랑한 고체 상태가 된다. 굳은 젤라틴을 암모니아 용액에 넣어 PNIPAM을 모두 녹이면 PNIPAM이 있던 자리가 빈 공간으로 남는다. 이 공간이 인공 혈관이 되는 것이다. - 일러스트 이혜정 제공
솜사탕 기계로 인공 혈관 만드는 방법! ① 솜사탕 기계에 PNIPAM을 넣어 PNIPAM 뭉치를 만든다. ② PNIPAM 뭉치에 세포가 섞여있는 젤라틴 용액을 붓는다. ③ 온도를 37˚c로 유지하며 젤라틴을 굳힌다. 그러면 말랑말랑한 고체 상태가 된다. 굳은 젤라틴을 암모니아 용액에 넣어 PNIPAM을 모두 녹이면 PNIPAM이 있던 자리가 빈 공간으로 남는다. 이 공간이 인공 혈관이 되는 것이다. - 일러스트 이혜진

사탕이 녹는 과정을 연구한 과학자

 

미국 워싱턴대학교에서 물리학을 공부하는 안드레아 윈디쉬 박사는 가족과 함께 사탕을 이용해 특별한 실험을 진행했어요. 바로, 사탕이 녹는 속도를 수식으로 만든 거예요.

 

연구팀은 먼저 사탕을 완벽한 구 모양이라고 가정한 뒤, 간단한 수식을 세워 시간에 따라 사탕이 줄어드는 양을 계산했어요. 그 결과, 시간이 지남에 따라 줄어드는 사탕의 반지름, 무게, 표면적, 부피 변화를 모두 구할 수 있었어요. 이를 바탕으로 사탕이 모두 녹는 데 필요한 시간을 구할 수 있었죠.

 

연구팀이 만든 실험 장비. 젓개가 물을 휘저어 사탕을 천천히 녹인다. 물의 온도와 pH는 입 안과 비슷하다. - 어린이 과학동아 제공
연구팀이 만든 실험 장비. 젓개가 물을 휘저어 사탕을 천천히 녹인다. 물의 온도와 pH는 입 안과 비슷하다. - 어린이 과학동아 제공

윈디쉬 박사는 이 계산이 실제 사탕이 녹는 속도와 얼마나 비슷한지 확인하기 위해 위의 그림과 같은 실험 장비를 만들었어요. 기계를 이용해 물을 천천히 저어 주며 사탕이 녹는 것을 관찰한 결과, 수식으로 예측한 결과와 실제 사탕이 녹는 속도가 98% 정도 일치했답니다.

 

Andreas Windisch 제공
Andreas Windisch 제공

 

윈디쉬 박사에게 물어 봤어요!

 

물리학자가 왜 사탕이 녹는 속도를 연구한 걸까요? <어린이과학동아>에서는 윈디쉬 박사에게 이메일을 보내 직접 물어 봤어요.

 

Q 윈디쉬 박사님은 평소에 사탕을 좋아하나요?
물론입니다! 대부분의 사람들이 사탕을 좋아하지요!

 

Q 특이하게 가족들과 함께 연구를 진행했네요?
아버지, 아내와 토론을 벌이며 연구를 진행했어요. 아버지는 은퇴한 생물리학자 교수셨고, 아내는 수학자였기 때문에 가능했답니다. 덕분에 실험도 저희 집 안에서 진행할 수 있었어요. 실제로 저희 집 부엌에서 실험 장비를 만들어 실험을 진행하기도 했답니다.

 

Q 연구를 시작한 계기가 있나요?
목감기에 걸리신 아버지께서 목이 아픈 것을 줄이기 위해 사탕을 드시던 중, 사탕이 시간에 따라 어떻게 녹는지 궁금하다는 질문을 하셨어요. 그때부터 사탕이 녹는 속도를 수학적으로 계산하기 시작했지요.

 

Q <어린이과학동아> 독자들에게 하고 싶은 말씀이 있나요?
이 연구는 주변에서 흔히 일어나는 일을 과학적인 이론과 실험을 통해 분석했다는 데에 의미가 있어요. 무척 즐거운 연구였답니다! 이처럼 과학자가 되면 항상 호기심을 가지고 주변을 탐구할 수 있어요. 그리고 자신이 낸 문제에 대해 스스로 답을 찾을 수 있다는 것도 정말 즐거운 일이에요. 평소에 호기심이 많은 친구라면 누구나 과학자가 될 수 있어요!

 

 

 

도움Ⅰ최낙언(시아스연구소 이사), 성학종(Vanderbilt University 교수), 이정복(Vanderbilt University 박사), Andreas Windisch(Washington University 박사)

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