KAIST, 자발적 카이랄 구조체의 형성과 제어 성공
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KAIST, 자발적 카이랄 구조체의 형성과 제어 성공
  • 송윤영 기자
  • yaho1130@hanmail.net
  • 승인 2020.11.30 13:00
  • 조회수 49
  • 댓글 0
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윤동기 교수팀, 비카이랄 액정 물질을 이용해 자발적 카이랄 구조체의 형성 및 제어
생체 친화적 재료 활용, 센서와 박테리아 제어, 세포 성장 기술 등 다양한 응용 가능
(왼쪽부터) KAIST 박건형 박사과정, 윤동기 교수
(사진제공=KAIST)(왼쪽부터) KAIST 박건형 박사과정, 윤동기 교수

(대전=세종=세종충청뉴스) 송윤영 기자 = KAIST는 화학과 윤동기 교수 연구팀이 *카이랄 특성이 없는 생체 친화적인 크로모닉 액정 물질의 자발적 조립을 통해 카이랄 구조체를 규칙적으로 제어하는 데 성공했다고 30일 밝혔다.
▶카이랄(Chiral): 수학, 화학, 물리학, 생물학 등 다양한 과학 분야에서 비대칭성을 가르키는 용어중 하나이다. 이는 어떤 대상의 모양이 거울에 비춘 모양과 일치되지 않을 때 카이랄 성이 존재한다고 일컫는다. (Ex) 오른손 & 왼손)

윤 교수 연구팀은 이번 연구를 통해서 기존의 *공간적 한정 효과 (Confinement effect)만으로는 규칙적인 제어가 어려웠던 마이크로 크기의 구조체를 규칙적으로 제작하는 데 성공했다. 연구팀 관계자는 향후 생체 친화적 액정기반의 재료를 활용해 카이랄 센서, 박테리아의 거동 제어 및 세포 성장과 같은 응용기술에 다양하게 활용될 수 있다고 설명했다. 
▶공간적 한정 효과(Confinement effect): 물리적으로 물질을 좁은 공간에 갇히게 해 변형을 유도하는 방법

KAIST 박건형 박사과정 학생이 제1 저자로 참여한 이번 연구 논문은 최근 국제 학술지 `ACS 센트럴 사이언스 (ACS Central Science)' 온라인판에 실렸다. (논문명 : Periodic Arrays of Chiral Domains Generated from the Self-Assembly of Micropatterned Achiral Lyotropic Chromonic Liquid Crysta). 

해당 논문은 또 연구 결과의 우수성을 인정받아 ACS 센트럴 사이언스 11월호 표지논문(Front Cover)으로 뽑히는 한편 해설논문과 함께 게재됐다.

이번 연구에서 윤 교수팀은 기존에 널리 사용되는 액정영상표시장치(liquid crystal display; LCD)의 핵심 재료로 사용되는 일반형 액정분자가 아닌 생체 친화적인 크로모닉 액정 물질을 이용해 3차원 카이랄 구조체를 제작했다. 복잡한 3차원 카이랄 구조체를 균일하게 제어하기 위해서는 극한으로 액정 단위체들의 거동을 제어하고 적절한 조립 환경을 제공해야 하는데 기존에는 관련 제어기술이 없어 응용되지 못했다. 

윤 교수 연구팀은 액정분자들의 규칙적인 제어를 위해, 배향막을 포함한 마이크로 크기 패턴이 있는 기판과 유리 기판 사이에 액정을 주입해 공기주머니를 자발적으로 형성시켰다. 이 결과, 액정 단위체들이 자발적으로 공기기둥 주위에 규칙적으로 뒤틀림(distortion) 현상을 유발하는 시스템을 개발했다. 연구팀은 이 시스템을 이용해 뒤틀림 현상을 효과적으로 제어하는 한편 자발적으로 형성되는 카이랄 구조체를 넓은 면적에서 제어하는 데 성공했다. 제어된 카이랄 구조체들은 살아있는 박테리아의 움직임을 인도하거나, 금속 나노 입자의 카이랄 조립, 카이랄 유체의 거동을 해석하는 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.  

윤동기 교수는 "의약품 및 관련 화학산업에서 물질의 카이랄 성질은 독성 및 부작용과 매우 밀접한 관련이 있다ˮ고 말했다. 윤 교수는 이어 "60여 년 전 임산부들의 입덧 방지용으로 쓰이던 탈리도마이드(thalidomide)라는 약은 카이랄 성질이 다를 경우 기형아를 유발할 수 있다는 점 때문에 금지된 바가 있다ˮ면서 "이번 연구를 통해 카이랄 성질에 대해 더욱 깊은 이해를 하고 관련 사고를 방지할 수 있을 것ˮ이라고 덧붙였다. 

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부-한국연구재단의 멀티스케일 카이랄 구조체 연구센터, 전략과제, 과학기술국제화사업의 지원을 받아 수행됐다.

그림 1. 자발적 카이랄 구조체 형성 모식도(동전모양의 크로모닉 액정분자를 물에 녹였을 때 일정농도 이상에서 Nematic 액정 상을 보인다. 크로로모닉 물질이 액정상을 보이는 농도에서 충분한 공간적 한정효과를 부여하였을 때, 자발적으로 카이랄 구조체를 형성한다)
그림 1. 자발적 카이랄 구조체 형성 모식도(동전모양의 크로모닉 액정분자를 물에 녹였을 때 일정농도 이상에서 Nematic 액정 상을 보인다. 크로로모닉 물질이 액정상을 보이는 농도에서 충분한 공간적 한정효과를 부여하였을 때, 자발적으로 카이랄 구조체를 형성한다)
그림 2. 카이랄 첨가제 첨가 유무에 따른 카이랄 구조체 형성 그림( (B) 카이랄 첨가제(Alanine)가 균일하게 첨가되거나(Racemic) 없을  경우 오른쪽 꼬임과 왼쪽 꼬임을 가진 구조체가 모두 형성된다. (A),(C) 한 방향의 카이랄 첨가제를 넣을 경우 한 방향으로 꼬여있는 카이랄 구조체(Homochiral)를 형성할 수 있다. (D) 액정 분자의 시뮬레이션을 통해 카이랄 구조체의 형성 원리에 대해 검증)
그림 2. 카이랄 첨가제 첨가 유무에 따른 카이랄 구조체 형성 그림( (B) 카이랄 첨가제(Alanine)가 균일하게 첨가되거나(Racemic) 없을 경우 오른쪽 꼬임과 왼쪽 꼬임을 가진 구조체가 모두 형성된다. (A),(C) 한 방향의 카이랄 첨가제를 넣을 경우 한 방향으로 꼬여있는 카이랄 구조체(Homochiral)를 형성할 수 있다. (D) 액정 분자의 시뮬레이션을 통해 카이랄 구조체의 형성 원리에 대해 검증)
그림 3. ACS 센트럴 사이언스 표지 이미지
그림 3. ACS 센트럴 사이언스 표지 이미지

 

□ 연구개요

1. 연구배경
 카이랄 구조체의 자가조립에 대한 연구는 화학을 넘어 다양한 학문에서 많은 관심을 받고 있다. 하지만 카이랄 구조체의 단순 조립과정은 많은 연구들이 선행되었지만, 실제 센서, 광학적, 생물학적응용을 위해 이들의 자가조립 현상을 제어하여 규칙적으로 대면적에서 조립시키는 기술은 난이도가 높아 실험적으로 구현하기 어려웠다. 이를 해결하기 위해 이론적으로 예측 가능한 액정분자를 이용한 카이랄 구조체 제어를 위한 연구들이 진행되어 왔다. 

많은 액정 분자중에서도 물을 기반으로 한 농도에 따라 상이 변하는 크로모닉 액정은 생체 친화적이며, 공간적 한정효과에 의해 쉽게 카이랄 구조체를 형성할 수 있다는 장점이 있어 카이랄 구조체 제작에 많이 사용되고 있다. (그림1) 하지만, 이 물질을 이용한 선행연구들 또한 또한 규칙적으로 제어된 카이랄 구조체를 제작하는데 어려움이 존재한다. 

2. 연구내용
 공간적 한정효과에 의해 쉽게 카이랄 구조체를 형성할 수 있는 크로모닉 액정은 이들의 정렬에 변형이 발생하였을 때, 분자구조는 카이랄성을 가지고 있지 않지만 쉽게 카이랄 구조체를 제작하는 성질을 가지고 있다. 만약 이러한 번형을 제어할 수 있다면 형성되는 카이랄 구조체 또한 제어할 수 있다. 크로모닉 현상의 변형에 규칙성을 부여하기 위해 마이크로패턴 된 기판을 이용해 공기주머니를 자발적으로 형성함으로써 액정 단위체들이 자발적으로 공기기둥 주위에 규칙적인 변형을 유발할 수 있는 시스템을 개발했다. (그림 2 보라색 원 = 공기주머니)

편광현미경 이미지인 그림 2를 보게 되면 카이랄 성의 우세가 존재하지 않은 비카이랄성 용액을 사용하였을 때, 공기기둥 사이의 액정 물질들의 탄성변형을 통해 왼쪽 카이랄 구조체 (노란색)과 오른쪽 카이랄 구조체 (파란색)가 모두 관찰됐다. 하지만 특정 카이랄 성을 갖는 첨가제를 첨가하면 첨가제의 카이랄 방향성에 따라 오른쪽 카이랄 구조체와 왼쪽 카이랄 구조가 각각 형성되는 것을 확인할 수 있다 (그림2). 

편광현미경 분석 결과에 대한 이론적 모델링 및 시뮬레이션을 통해 형성된 구조체가 카이랄 성을 가지고 있는 것을 확인하였으며 형성 원인에 대해 분석에 성공했다. 

이 연구는, 크로모닉의 자가조립을 이용한 카이랄 구조체의 균일한 배열을 세계 최초로 제작하는 데 성공한 것에 의의가 있다. 제작된 균일한 카이랄 구조체 템플릿을 이용하면, 거울상 이성질체로 인하여, 식품 및 약물의 효능 바뀌는 카이랄 물질을 검출하는 센서로 사용될 수 있으며, 생체 친화적 물질을 이용하였기에 추후 박테리아의 움직임을 제어하거나 특정모양의 세포를 성장시키는 매체로 사용될 수 있다. 

3. 기대효과
 자발적으로 카이랄 구조체를 형성하는 크로모닉물질을 제어하여 균일한 카이랄 구조체 패턴을 제작하였다. 이러한 제작 방법은 추후 다른 유기물질의 자기조립거동을 제어하는데 응용될 수 있으며, 센서, 생물학적 응용가치가 있다. 

□ 용어설명

□ 액정 (liquid crystal) 
○ 고체와 액체의 중간 상태를 띠는 물질.
○ 결정의 이방성과 액체의 유동성을 동시에 가짐.

□ 농도감응형 크로모닉 액정 (Lyotropic chromonic liquid crystal)
○ 물에 특정농도 이상 녹았을 때, 액정상을 띄는 동전 모양의 분자. 
○ 생체 친화적이며, 쉽게 카이랄 구조체를 형성하는 특징을 가지고 있다. 

□ 공간적 한정효과 (Confinement effect)
○ 물리적으로 물질을 좁은 공간에 갇히게 하여 변형을 유도하는 방법.


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