“배관공은 절대 이해 못해”...국내 연구진 ‘배관공의 악몽’ 구조 나노 세계에 첫 구현

서울대·포스텍·GIST 공동 연구진
외부 연결 없이 내부로만 연결된 ‘배관공의 악몽’ 구조
독특한 특성으로 신소재 연구자들 주목
블록 공중합체 이용해 자가조립으로 만드는 기술 개발
신소재 개발 비용 절감 효과

서울대·포스텍(포항공대)·광주과학기술원(GIST) 공동 연구진이 블록 공중합체로 만든 나노 구조. 특히 '배관공의 악몽(오른쪽)' 나노 구조는 이론적으로만 만들 수 있는 것으로 여겨지고 있었다./사이언스

미국 화학자이자 생물학자인 데이비드 휴즈와 스타니슬라스 라이블러는 1988년 독특한 기하학적 구조를 제시했다. 원통형의 관들이 모두 연결된 형태지만 외부로 연결된 배관이 없는 구조다. 이 구조는 이전에도 연구돼 왔지만 두 사람이 배관공의 관점에서는 이해할 수 없다는 의미에서 처음 ‘배관공의 악몽(Plumber`s nightmare)’이란 이름을 붙이면서 유명해졌다. 이론적으로 이 구조는 구조에 따라 특성이 급격히 변하는 상전이가 일어난다. 이런 독특한 특성을 갖는 덕분에 수많은 과학자들의 관심을 받아왔지만, 그동안 작은 나노 구조로 만들 재료가 없어 실제 구현하는 데 어려움을 겪었다.

국내 연구진이 머리카락의 수만 분의 1 크기의 나노 물질로 배관공의 악몽 구조를 구현하는 데 성공했다. 이 구조를 발전시키면 기능성 신소재 개발 비용과 기간을 단축할 수 있을 것으로 기대를 모은다.

서울대와 포스텍(포항공대), 광주과학기술원(GIST) 연구팀은 5일(현지 시각) 국제 학술지 ‘사이언스’에 지금까지 구현하기 어려웠던 ‘배관공의 악몽’ 네트워크 구조를 만드는 데 성공했다고 밝혔다.

하지만 배관공의 악몽 구조는 실제로 구현하는 데 어려움을 겪어 왔다. 나노 구조는 ‘블록 공중합체’가 자연적으로 결합하는 자가조립 현상을 이용해 만드는 데, 배관공의 악몽 구조로 자가조립하는 블록 공중합체가 없었다. 블록 공중합체는 두 종류의 물질로 만들어진 중합체로 어떤 물질로 이뤄졌는지에 따라 다양한 특성을 보인다. 만약 원하는 나노 구조로 자가조립하는 재료를 개발한다면 광촉매, 나노의학, 나노막 같은 분야에서 활용 가치가 크다.

연구진은 이같은 문제를 해결하기 위해 새로운 형태의 블록 공중합체를 만들었다. 두 종류의 고분자를 결합해 블록 공중합체를 만들고 두 개의 공중합체의 끝을 연결해 블록 공중합체가 되도록 하는 방식이다. 이렇게 만들어진 블록 공중합체는 자가조립을 통해 배관공의 악몽 구조를 만들었다.

블록 공중합체 전체 길이와 연결 부위의 길이를 조절하며 자가조립이 이뤄지도록 한 결과, 비율에 따라 다양한 구조가 나타났다. 그물망처럼 구조가 연결돼 있는 네트워크 구조를 바탕으로 크게 3가지 형태가 나타났다. 네트워크 구조는 이온과 전자를 동시에 운반하고 특이한 광학적 특성을 갖기도 해 신소재 개발에 중요한 요소 중 하나로 꼽힌다.

특히 그동안은 합성이 어려웠던 배관공의 악몽 구조도 손쉽게 만들 수 있었다. 온도를 높여 상전이를 일으킨 뒤 다시 온도를 내려도 기존 구조를 유지하는 것으로 나타났다. 연구진은 이번에 개발한 기술을 온도에 따라 작동하는 ‘열 작동 스위치’에 적용할 수 있을 것으로 기대했다.

알리신 네도마 영국 셰필드대 교수는 이날 사이언스에 논평을 통해 “새로운 블록 공중합체를 이용해 나노 구조를 만드는 기초를 제공한 연구”라며 “기능성 고분자를 사용한 신소재 개발 비용을 절감하는 데 활용할 수도 있을 것”이라고 평가했다.

연구진은 “블록 공중합체를 이용해 맞춤형 네트워크 구조를 만드는 방식을 확립했다”며 “나노기술 분야에서 블록 공중합체의 활용도가 높아질 것으로 기대한다”고 말했다.

참고자료

Science, DOI: https://doi.org/10.1126/science.adh0483

Journal de Physique, DOI: https://doi.org/10.1051/jphys:01988004904060500

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