이온크기에 따른 모세관 이온농도 분극 현상 변화

Abstract

이온농도분극 현상은 선택적 투과성을 갖는 나노 다공성막 근처에서 전해질이 마이크로 채널을 통해 가해지면 양이온 또는 음이온 중 막과 극성이 반대인 이온만 막을 통과할 수 있고 이러한 경우 막과 마이크로 채널 접점 근처에서 전해질이 전기중성을 유지해야 하므로 통과하지 못한 나머지 이온이 접점에서 밀려나 결과적으로 접점 근처에서 이온의 농도가 낮아지는 감소영역이 형성되는 현상이다. 이온농도분극 현상의 특별한 형태인 모세관 이온농도분극 현상은 접점 근처에서 감소영역이 형성되는 것은 동일하나 전해질이 마이크로 채널을 통해 나노 다공성막(수화젤)에 가해지는 방식이 외부 에너지에 의한 것이 아니라 수화젤 스스로 전해질을 빨아들이는 침염에 의한 것이라는 것이 다르다. 본 연구는 모세관 이온농도분극 현상의 작동기작을 명확히 하기 위해 전해질 이온의 크기와 나노 다공성막(수화젤)의 구멍의 크기와의 관계 규명에 집중하였다. 실험 조건으로 수화젤의 구멍의 크기보다 크거나 작은 이온들로 전해질을 구성하여 감소영역을 형성하는지, 농축영역을 형성하는지 관찰하였다. 그 결과 주된 이온이 칼륨, 염소인 경우엔 이온이 막의 구멍보다 크기가 작아서 칼륨은 하이드로젤을 통과, 염소는 밀려나서 감소 영역이 형성되었으나 주된 양이온이 형광물질(Alexa 488)인 경우에는 막의 구멍보다 크기가 커서 양이온이 수화젤을 통과하지 못하였고, 따라서 농축 영역이 형성되었다. 또한 주된 양이온이 리튬으로써 나노 다공성 막보다 크기가 작아 수화젤을 통과하더라도, 주된 음이온이 형광물질인 경우엔 형광물질이 전기 중성을 맞추기 위해서 밀려나지 못하여 또한 농축 영역이 형성되었다. 이를 통해 모세관 이온농도분극 현상에서 감소 영역이 형성되기 위해서는 수화젤의 다공성 막의 구멍의 크기보다 전해질의 양이온, 음이온 모두의 크기가 작아야 한다는 것을 알 수 있었다. 이 결과를 통해 모세관 이온 농도 분극 현상의 작동기작을 규명할 수 있었다. 이온농도분극 현상은 선택적 투과성을 갖는 나노 다공성막 근처에서 전해질이 마이크로 채널을 통해 가해지면 양이온 또는 음이온 중 막과 극성이 반대인 이온만 막을 통과할 수 있고 이러한 경우 막과 마이크로 채널 접점 근처에서 전해질이 전기중성을 유지해야 하므로 통과하지 못한 나머지 이온이 접점에서 밀려나 결과적으로 접점 근처에서 이온의 농도가 낮아지는 감소영역이 형성되는 현상이다. 이온농도분극 현상의 특별한 형태인 모세관 이온농도분극 현상은 접점 근처에서 감소영역이 형성되는 것은 동일하나 전해질이 마이크로 채널을 통해 나노 다공성막(수화젤)에 가해지는 방식이 외부 에너지에 의한 것이 아니라 수화젤 스스로 전해질을 빨아들이는 침염에 의한 것이라는 것이 다르다. 본 연구는 모세관 이온농도분극 현상의 작동기작을 명확히 하기 위해 전해질 이온의 크기와 나노 다공성막(수화젤)의 구멍의 크기와의 관계 규명에 집중하였다. 실험 조건으로 수화젤의 구멍의 크기보다 크거나 작은 이온들로 전해질을 구성하여 감소영역을 형성하는지, 농축영역을 형성하는지 관찰하였다. 그 결과 주된 이온이 칼륨, 염소인 경우엔 이온이 막의 구멍보다 크기가 작아서 칼륨은 하이드로젤을 통과, 염소는 밀려나서 감소 영역이 형성되었으나 주된 양이온이 형광물질(Alexa 488)인 경우에는 막의 구멍보다 크기가 커서 양이온이 수화젤을 통과하지 못하였고, 따라서 농축 영역이 형성되었다. 또한 주된 양이온이 리튬으로써 나노 다공성 막보다 크기가 작아 수화젤을 통과하더라도, 주된 음이온이 형광물질인 경우엔 형광물질이 전기 중성을 맞추기 위해서 밀려나지 못하여 또한 농축 영역이 형성되었다. 이를 통해 모세관 이온농도분극 현상에서 감소 영역이 형성되기 위해서는 수화젤의 다공성 막의 구멍의 크기보다 전해질의 양이온, 음이온 모두의 크기가 작아야 한다는 것을 알 수 있었다. 이 결과를 통해 모세관 이온 농도 분극 현상의 작동기작을 규명할 수 있었다.

Ion concentration polarization is a phenomenon that occurs when electrolyte is applied to perm-selective nanoporous membrane through micro-channel. Only cation or anion can pass through membrane depending on membrane's polarity, but because electro-neutrality should be maintained near membrane, ion's which could not pass through membrane is pushed away. In result, both cation and anion's concentration is lowered near membrane, forming Depletion zone. More specific version of Ion concentration polarization, Capillarity ion concentration polarization, differs from normal ion concentration polarization in that point capillarity ion concentration polarization gets drift force from hydrogel's imbibition, not from external source. To prove mechanism of Capillarity ion concentration polarization, This paper concentrated on verifying relativity of electrolyte ion size and nanoporous membrane pore size. Setting electrolyte ion size bigger or smaller than hydrogel's pore size, this paper observed whether depletion zone or accumulation phase is formed. In result, when major ion was potasium or chlorine, because cation size is smaller than pore size, potasium passed through hydrogel, and chlorine was pushed away forming depletion zone. But when major cation is Alexa 488 because cation size is bigger than pore size, cation could not pass through pore and accumulation phase was formed. And when major cation was litium and major anion was alexa, though litium can pass through pore, but because alexa could not pushed away so accumulation phase was formed. In conclusion, To form depletion zone in Concentration ion concentration polarization, both cation and anion size should be smaller than hydrogel pore size.