[신기술 소개] RIKEN, 나노 시트 간 정전반발력에 의해 구조가 보강된 하이드로 겔 재료 개발 - 수직 방향 하중을 견디고 수평 방향으로 변형되어 방진 재료 등에 응용 기대 -

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RIKEN, 나노 시트 간 정전반발력에 의해 구조가 보강된 하이드로 겔 재료 개발 - 수직 방향 하중을 견디고 수평 방향으로 변형되어 방진 재료 등에 응용 기대 -

일본 이화학연구소(RIKEN) 창발물성과학연구센터 창발소프트매터 연구그룹 아이다 타쿠조(相田卓三) 그룹 디렉터(도쿄대학 대학원 공학계 연구과 교수), 창발생체관련소프트웨어매터 연구팀 이시다 야스히로 (石田康博) 팀 리더 및 물질⋅재료연구기구(NIMS) 국제나노아키텍토닉스 연구거점 사사키 타카요시(佐々 木高義) 연구원 등의 공동 연구그룹은 서로 정전반발하는 산화물 나노 시트를 자기장에 수직 방향으로 배 열하여 3차원 나노 그물 구조를 물로 팽윤시킨 겔형 물질 ‘하이드로 겔’ 안에 가둠으로써 독특한 기계적 물 성이 나타나는 재료를 개발하는 데 성공했다.

전기적⋅자기적인 ‘반발력’을 이용한 장치로는 리니어 모터, 자기 베어링 등이 있다. 이들 장치에서는 ‘인 력(引力)’을 이용하는 것만으로는 불가능한 특별한 성능이 실현된다. 이와는 대조적으로 세라믹이나 플라스 틱 등의 구조 재료에서는 유기 폴리머와 무기물 입자와의 하이브리드 등으로 대표되듯 구성 요소 간의 ‘인 력’을 강화함으로써 강도를 높이고 있으며, 구조 재료의 설계 반발력을 이용하려는 시도는 전혀 없었다. 한 편, 동물의 관절 연골은 고밀도의 음전하를 띤 고분자로 구성되어 그 정전적인 반발력에 의해 높은 내하중 성과 저마찰성이 실현되고 있다.

RIKEN과 NIMS의 공동 연구그룹은 물속에 분산된 이온성 산화티타늄 나노 시트에 자기장을 가한 결과 모든 나노 시트가 자기장에 수직 방향으로 배열하여 나노 시트들이 서로 면을 마주보고 나노 시트 사이에 거대하고 이방적(異方的)인 정전반발력이 나타나는 것을 발견했다. 이 물 분산액을 겔화하면 정전반발력에 의해 내부로부터 지탱되는 하이드로 겔 재료를 얻을 수 있다. 이 재료는 세로 방향의 큰 하중을 견디며 가 로 방향으로는 쉽게 변형하는 일반적인 재료에서는 실현하기 어려운 특이한 기계적 물성을 나타내어 방진 재료로서 뛰어난 성능을 발휘한다.

이번 발견은 지금까지 전혀 생각지 못한 반발력이 구조 재료의 기계적 물성을 제어하는 데 매우 유용하 다는 점을 실증한 것으로 향후 구조 재료의 설계에 큰 영향을 줄 것으로 기대된다.

본 연구 성과는 영국 과학지 Nature에 게재되었다(※ 발표논문 참조).

※ 발표논문: Mingjie Liu, Yasuhiro Ishida, Yasuo Ebina, Takayoshi Sasaki, Takaaki Hikima, Masaki Takata, and Takuzo Aida, “An anisotropic hydrogel with electrostatic repulsion between cofacially aligned nanosheets”, Nature, 31 December 2014.

DOI: 10.1038/nature14060.

Figure. 인접한 산화물 나노 시트의 정전반발력.

KIC News, Volume 18, No. 1, 2015

KIC News, Volume 18, No. 1, 2015 89

출처 : 2014.12.30 RIKEN(http://www.riken.jp/pr/press/2014/20141230_1/) 작성 : 소 대 섭(한국과학기술정보연구원)

NIMS, 세계 최초로 분자의 자기 조직화 시간 제어에 성공 - 사전 프로그램대로 조직화가 자율적으로 진행되는 재료 개발 -

일본 물질⋅재료연구기구(NIMS) 첨단적공통기술부문 고분자재료유닛 스기야스 카즈노리(杉安和憲) 연 구원 등은 측쇄(側鎖)를 바꾼 분자를 혼합함으로써 분자가 자발적으로 집합하는 현상(자기 조직화) 시작 시 간을 제어하고 사전에 프로그래밍한 대로 자기 조직화를 추진하는 방법을 개발했다.

분자의 자기 조직화는 자연계에서 널리 발견되며 광합성이나 신경 회로 등 복잡한 기능을 발휘하는 시스 템 구축에 빠뜨릴 수 없는 현상이다. 고도의 기능을 발휘하는 분자의 자기 조직화 현상을 이용해 새로운 재료의 개발이 시도되고 있다. 하지만 자기 조직화는 자발적으로 진행되기 때문에 전적으로 분자에게 의지 되는데, 이를 의도적으로 제어하는 것은 매우 어렵다. 특히, 자기 조직화의 시작 시간을 제어하는 등 현상 을 시간적으로 관리하는 연구는 거의 진행되지 않았다.

연구진은 2종류의 자기 조직화 구조를 가진 분자를 이용하여 연구했다. 한편의 자기 조직화 구조는 신속 히 생기는데 에너지적으로 안정된 것이 아니며 최종적으로는 에너지적으로 보다 안정된 다른 편의 자기 조 직화 구조가 일정 시간 경과 후에 형성된다. 이 분자의 측쇄를 바꿈으로써 에너지의 안정 상태를 역전시켜 재빨리 생기는 자기 조직화 구조만을 형성하는 분자도 만들 수 있었다. 이 2종류의 분자의 혼합 비율을 바 꿈으로써 처음의 에너지적으로 안정된 구조에 대한 자기 조직화를 시작하는 시간을 제어하는 데 세계 최초 로 성공했다. 이번에 성공한 시간적 제어는 복수의 화학종이 만들어 낸 분자의 네트워크에 의해 조직화가 진행되고 있다는 점에서 생체의 ‘체내 시계’의 메커니즘과 유사하다.

자기 조직화는 재료 과학, 나노 테크놀로지, 바이오 테크놀로지 등 다방면에 매우 중요한 개념으로 물질 의 새로운 합성법이 크게 주목받고 있다. 연구진은 향후 본 개발법을 응용해 원하는 타이밍에서 발광시키 거나 전도성을 변화시키는 고도의 시스템 구축을 목표로 하고 있다. 생명 분자 시스템처럼 시간의 경과와 외계의 환경 변화에 따라 자율적으로 기능하는 스마트 재료로의 전개가 기대된다.

본 연구 성과는 독일 화학지 Angewandte Chemie International Edition에 게재되었다(※ 발표논문 참조).

※ 발표논문: S. Ogi, T. Fukui, M. L. Jue, M. Takeuchi, K. Sugiyasu, “Kinetic control over pathway complexity in supramolecular polymerization through modulating the energy landscape by rational molecular design”, Angew. Chem. Int. Ed., 29 OCT 2014.

DOI: 10.1002/anie.201407302.