[사회/CTN]정민준 기자ㅣ충남대학교 응용화학공학과의 이창수 교수 연구진과 미국 NASA 연구팀이 무중력 상태인 국제 우주 정거장(ISS)에서 이방성 야누스 입자의 자기 조립 연구를 통해 이방성 입자들 간의 상호작용 및 자기 조립 원리를 해석하는 데 성공했다.

이번 연구 성과는 ‘Gravitational and Space Research’에 9월 26일 게재됐다. 이번 연구는 충남대 응용화학공학과 연구진과 NASA Glenn research center(GRC)가 공동으로 수행했으며, 충남대 김종민 박사가 제1저자로, Reya박사, 김재성 박사과정생, 이창수 교수가 교신저자로 참여했다.

마이크로/나노 수준의 콜로이드 입자는 자발적인 브라운 운동 특성으로 인해 원자나 분자의 상호작용, 마이크로/나노 스케일에서의 물질의 상호작용을 연구하는 중요한 모델로 활용되고 있다. 또, 입자간 상호 작용력(인력 또는 반발력)을 부여하면 외부의 도움 없이 스스로 정해진 패턴대로 배열되는 자기 조립 현상을 유도할 수 있어 등방성 구형입자의 경우 자발적 상호작용을 통해 3차원 광결정을 형성할 수 있다.

하지만 지구상에서의 자기 조립은 중력의 영향으로 인해 입자 및 형성된 자기 조립체의 침강이 빈번히 발생해 입자의 자발적 운동 특성 및 상호작용을 정확히 이해하기 어렵다. 이에 NASA는 이러한 연구 한계를 극복하기 위해 콜롬비아 우주왕복선에서 등방성 구형 입자의 자기 조립을 통한 결정구조 연구를 수행했다. 그 결과, 1999년 두 가지 결정구조를 형성했던 지구에서의 자기 조립 결과와는 다르게, 우주에서는 단일 형태의 결정구조를 얻을 수 있음을 확인했다. 그 이후로도 여러 후속 연구가 진행됐지만, 무중력 환경에서의 이방성 입자의 운동 및 자기조립 연구는 매우 제한적이었다.

입자 연구는 콜로이드 과학의 이해를 심화시킬 뿐만 아니라, 맞춤형 특성을 가진 재료를 합성하는 새로운 방법을 제시할 수 있고, 잠재적으로 새로운 촉매, 표적 약물 전달 시스템, 고급 광학 재료 개발로 응용될 수 있어 지속적인 연구가 필요하다. 특히 이방성 입자의 경우, 등방성 구형입자와는 다르게 화학적 또는 기하학적 다양성과 방향성 상호작용을 부여할 수 있고, 이를 통해 입자간 상호작용에 대한 방식 및 자기 조립 구조체에 복잡성을 더할 수 있어 연구잠재력이 높다.

이에 충남대와 NASA 연구팀은 공동 연구 협력을 통해 화학적/기하학적 이방성의 특성을 갖는 야누스 입자를 개발했다. 서로 반대되는 소수성, 친수성 특성을 가진 야누스 입자는 물에 분산되면 물과 친하지 않은 소수성 부분은 물과의 계면을 최소화하기 위해 소수성 부분끼리 자발적으로 결합하고, 물과 친한 친수성 부분은 물과의 계면을 더욱 넓히려는 방향으로 정렬하는데 공동 연구팀은 이러한 특성을 활용해 양 특성의 비율을 각각 3:7, 5:5, 7:3으로 조정하고, 소수성 부분의 형상을 볼록하게 설계함으로써 입자 간 방향성 상호작용의 자유도를 더욱 부가했다.

이후 국제 공동 연구팀은 중력 침강으로 인해 연구가 어려운 지구 환경을 벗어나 무중력 상태인 국제 우주 정거장(ISS)에서 야누스 입자의 구조를 확인함으로써 야누스 입자의 자기 조립의 활발한 움직임을 관찰했고, 본연의 운동성과 연구팀이 설계한 방향성 상호작용을 통해 야누스 입자가 중력이 없는 환경에서 복잡한 3차원 구조로 자발적으로 조직될 수 있음을 규명했다.

특히, 이번 국제 공동 연구는 과학적 난제 해결과 과학 기술의 최전선을 넓히기 위한 국제 연구 협력의 중요성을 보여준 모범적인 사례로 평가되고 있다.

이번 연구의 핵심 연구자인 이창수 교수는 “무중력은 야누스 입자가 지구에서는 불가능한 방식으로 상호 작용하게 함으로써 입자가 중력 침강 없이, 3차원인 공간을 제한 없이 활발하게 거동, 접근, 자기 조립할 수 있게 만든다”며, “2010년 NASA와의 공동 연구를 시작으로 지금까지 총 3번의 국제우주정거장 내 실험을 이어온 결과, 독특한 3차원 집합 구조의 형성을 관찰하고, 이방성 야누스 입자들의 자기 조립 원리를 해석할 수 있었다”고 말했다.