연세대 김병수 교수팀, 무용매 기계화학적 고분자 합성 반응성 원인 세계 최초로 규명

초기 단계인 기계화학 기반 합성 분야 발전을 위한 초석 마련
종합 과학 분야의 세계적인 학술지‘Nature Communications(IF 16.6)’게재

김병수(왼쪽) 교수와 박지혜 제1저자

고분자 단량체의 크기가 커질수록 기계화학적 고분자 반응이 촉진되는 결과를 종합한 본 연구의 모식도.

연세대학교 화학과 김병수 교수 연구팀은 세계 최초로 기계화학적 볼밀링 시스템을 활용한 폴리에테르 고분자 합성을 통해, 기계화학적 고분자 합성 반응성 원인을 밝혀냈다고 6일 밝혔다.

기계화학이란 물리적인 힘을 활용해 화학적 반응을 유도하는 방법으로 기계화학의 대표적 반응 유도 방법으로는 초음파와 볼밀링이 있다. 이 중 볼밀링의 경우 일반 합성법과 달리 용매를 사용하지 않기 때문에 친환경적이며, 효율적인 합성법으로 알려져 있다.

특히 최근에는 일반적인 용액상 반응에선 관측되지 않았던 특이한 현상들이 기계화학적 반응에서는 관측되면서 전 세계 연구진들이 이를 주목하고 있다. 그러나, 기계화학적 방법을 활용한 고분자 '분해'와는 달리 고분자 '합성'은 관련 연구가 미미하고, 합성의 주요 기작 및 인자에 대한 분석 또한 부족한 실정이다.

폴리에테르는 친수성 및 생체 적합성과 유연한 특징이 있어 의료용 고분자 등 다양하게 활용되는 기능성 물질이다. 하지만 폴리에스테르, 폴리카보네이트, 폴리스타이렌 등의 고분자와는 달리 폴리에테르는 기계화학적 중합 방법을 통해 합성된 바가 없었다.

이에 김병수 교수 연구팀은 일련의 고체 에폭사이드 기반 단량체를 활용해 폴리에테르 고분자를 기계화학적 볼밀링으로 합성했다.

이 과정에서 일반적인 용액상 중합 반응성과 반대로, 기계화학적 중합에서는 단량체의 곁사슬(Side Chain) 부피가 커질수록 더 큰 특이한 반응성이 관측됐다. 이러한 특이적 반응성의 원인을 규명하기 위해 연구팀이 각 단량체와 반응성 간 상관관계를 분석한 결과, 고분자 단량체의 분자 간 결합이 강할수록 기계화학적 고분자 반응이 촉진됨을 밝혔다.

연세대 김병수 교수 연구팀은 "이 실험을 쉽게 설명하자면, 마치 '모난 돌이 정 맞는다'의 속담처럼 단단한 단량체일수록 쇠구슬에 더 높은 반응을 나타낸다는 것이다."라며, "본 연구는 기계화학적 고분자 중합에서만 발견되는 특이한 반응성에 영향을 끼치는 요인을 세계 최초로 보고한 것이며, 이는 용매를 쓰지 않는 친환경 기계화학적 중합의 효율적인 설계와 이해에 대한 통찰력을 제공해 기계화학적 고분자 합성 분야 발전에 초석을 마련한 것이다."라고 연구 의의를 밝혔다.

본 연구 결과는 삼성미래기술육성재단의 후원과 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐으며, 저명한 국제 학술지인 '네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)'에 9월 20일 온라인 게재됐다.

연소연기자 dtyso@dt.co.kr