“친환경 미래 광통신·고성능 광학컴퓨터 개발 밑거름 소재 발견”

김민규 단국대 교수·블래더미어 트수크럭 조지아텍 교수팀
“카이랄성 소재에 자성 나노입자 부착해 빛 방향 자유조절”

김민규 교수(오른쪽)와 미국 조지아텍 Vladimir V. Tsukruk 교수.(단국대 제공)

(용인=뉴스1) 김평석 기자 = 단국대학교는 김민규(화학공학과) 교수가 미국 조지아텍 블래더미어 트수크럭(Vladimir V. Tsukruk) 교수와 공동으로 자기장을 이용해 빛의 방향을 자유롭게 조절하는 친환경 카이랄성 셀룰로스 소재를 발견했다고 30일 밝혔다.

‘카이랄성(chirality)’은 물질의 분자식은 같지만 구조가 다른 특성을 말한다. 왼손과 오른손이 구조는 동일하지만 거울에 비친 것과 같이 대칭을 이루고 있어 서로 겹쳐지지 않는 것과 같다. 주로 자연계에 존재하는 단백질 아미노산, 단당류가 카이랄성을 띠고 있다.

카이랄성 분자는 물리적인 화학구조가 동일하기 때문에 빛의 회전 방향으로만 구분할 수 있다. 카이랄성은 오랜 시간 약학분야에서 연구돼 왔다. 최근 과학계는 카이랄성 분자의 빛 회전 방향을 이용해 고성능 공학컴퓨터, 차세대 바이오센서, 초전도체 등 첨단전자·전기소자 개발로 관심이 높다.

이 가운데 셀룰로스 나노결정(Cellulose Nanocrystals)은 친환경적이고 유연성과 강도가 뛰어나 재료 및 생채공학에서 차세대 카이랄성 소재로 주목받고 있다. 셀룰로스 나노결정은 빛의 왼쪽 방향으로 회전하는 성질을 가졌는데 기존 연구에서는 이를 반대로 조절하거나 자유롭게 조절하는 것이 불가능했다.

자성 나노입자를 셀룰로스 나노 결정 표면에 부착해 자기장 위에 건조하자 스스로 정렬해 오른쪽 방향으로 회전하는 모식도.(단국대 제공)

이를 극복하기 위해 연구팀은 자성 나노입자를 셀룰로스 나노 결정 표면에 부착했다. 이를 통해 이 소재가 분산된 용액을 자기장 위에서 건조하자 스스로 정렬해 원래 성질과는 달리 오른쪽 방향으로 회전한다는 사실을 밝혀냈다. 자기장을 이용해 친환경 카이랄성 소재의 빛 회전 방향을 자유자재로 조절할 수 있게 된 것이다.

김민규 교수는 “이번 연구는 친환경적이고 지속가능한 △미래 광통신 △고성능 광학 컴퓨터 △카이랄 비선형 포토닉스 △유도된 카이랄 발광 △레이징 및 이성질체 센싱을 위한 패턴화된 카이랄 광학 신소재를 개발하는 데 중요한 밑거름이 될 것”이라고 말했다.

연구논문은 재료과학 및 다학제 연구분야 상위 5.5% (JCR, 2023년 기준)인 국제 저명 학술지 ‘ACS Nano(2023년 IF=15.8’ 9월에 온라인 게재됐다. 논문명은 ‘Magneto-Responsive Chiral Optical Materials: Flow-Induced Twisting of Cellulose Nanocrystals in Patterned Magnetic Fields (자기 반응성 카이랄 광학 재료: 패턴화된 자기장에서 셀룰로스 나노 결정의 유동 유도 비틀림)’이다.

이번 연구는 미 공군 연구소 및 미 공군 과학 연구실 사업 지원을 받아 진행됐다.

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