충남대 이창수 교수팀, 고균일 실리카 나노입자 합성 플랫폼 개발 성공

충남대학교 응용화학공학과 이창수 교수 연구팀이 미세액적(Microdroplet)의 공간적 제어와 고속 혼합 기술을 활용해 자연계의 생광물화(Biomineralization) 현상을 모방한 고균일 실리카 나노입자 합성 플랫폼 개발에 성공했다. 연구팀 사진 및 연구 피규어. /충남대학교.

[더팩트ㅣ대전=선치영 기자] 충남대학교 응용화학공학과 이창수 교수 연구팀이 미세액적(Microdroplet)의 공간적 제어와 고속 혼합 기술을 활용해 자연계의 생광물화(Biomineralization) 현상을 모방한 고균일 실리카 나노입자 합성 플랫폼 개발에 성공했다고 24일 밝혔다.

이번 연구 성과는 국제 저명 학술지 'Chemical Engineering Journal'(IF: 13.2, Top 3%)에 지난 15일 온라인 게재됐다. 이번 연구는 이창수 충남대 교수가 교신저자로 김동영 한국과학기술연구원 박사가 제1저자로 참여했다.

생체모방 실리카 합성은 온화한 조건에서 수행돼 다양한 응용 가능성이 있지만, 기존 벌크(Bulk) 기반 합성법은 반응물 혼합 속도가 느리고 표면 전하가 불균일해 반응 초기부터 입자 응집과 크기 편차가 발생하는 '콜로이드 불안정성'이라는 한계가 있었다.

이창수 교수팀은 미세유체 칩 기반 미세액적 플랫폼을 설계해 반응물들을 수십 밀리초(ms) 내에 빠르고 균일하게 혼합함으로써 문제 해결의 실마리를 제시했다.

미세액적 내부에서 반응 초기 농도 기울기를 제거하고 전하 불균일성을 효과적으로 억제해 나노입자의 핵 생성과 성장을 공간적·시간적으로 동기화(Synchronized)하는 데 성공했다.

특히 이번 연구는 규조류 등 생물체의 단순 반응 메커니즘 모사를 넘어 광물이 형성되는 미시적 반응 환경 자체를 정밀하게 재현했다는 점에서 연구적 의의가 크다.

연구팀은 본 시스템이 기존 벌크 합성 대비 입자 균일도를 10배 이상 향상시키고 다분산지수(PDI) 0.03 이하의 매우 좁은 크기 분포를 갖는 나노입자를 구현했음을 확인했다. 또한 20mM부터 100mM까지 다양한 전구체 농도와 반응 속도 조건에서도 응집 없이 안정적인 크기·형태 제어 성능을 입증했다.

시간 분해 전자현미경(Time-resolved SEM)과 표면 전하 분석을 통한 비교 실험에서도 기존 방식은 초기부터 입자 엉김과 구조 변형이 관찰된 반면 미세액적 플랫폼에서는 초기 단계부터 독립적이고 균일한 구형 나노입자가 형성됨을 시각적·정량적으로 확인했다.

이창수 교수는 "이번 성과는 자연계의 정교한 생체광물화 과정을 미세유체 기술로 구현해 기존 생체모방 합성법의 고질적 한계였던 초기 콜로이드 불안정성을 물리적 공간 제어로 해결한 핵심 사례"라며 "향후 채널 병렬화를 통해 생산 수율을 극대화하고 표면 코팅제, 고성능 촉매, 약물 전달체 등 다양한 유·무기 하이브리드 나노소재 합성 기술로 발전시켜 나갈 계획"이라고 밝혔다.

tfcc2024@tf.co.kr

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