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학술

‘이온성 고분자 용액 속 흔들림’이 큰 결정 빨리 성장시켜

'Nature'지에 3월 4일 온라인 게재

흔들리는 용액 속에서 결정 10배 빨리 만든다
IBS 첨단연성물질 연구단, 용액 결정화 촉진하는 새 요인 발견 
"Enhancing crystal growth using polyelectrolyte solutions and shear flow"



신약개발이나 첨단 신소재 연구는 후보물질의 특성을 파악하고 구조를 이해하는 작업이 가장 중요하다. 이를 분석하기 위해서는 순도 높고 크기가 큰 결정(Crystal)1)으로 만들어야 한다. 

최근 네이처(Nature) 지에 큰 결정을 기존보다 10배 이상 빨리 성장시키는 ‘결정화(Crystallization)’ 방법이 소개됐다.



기초과학연구원(IBS) 첨단연성물질 연구단(단장 스티브 그래닉) 바르토슈 그쥐보프스키 그룹리더(UNIST 자연과학부 특훈교수)가 이끄는 연구진은 이온성 고분자(Ionic polymer)2)가 포함된 용액의 ‘흔들림’이 성장하는 결정에 충격(mechanical disturbance)을 주어 결정화를 촉진함을 발견하고 그 원인을 규명했다. 용액 속 물질이 결정화할 때 외부 충격을 적게 받을수록 큰 결정이 만들어진다고 알려졌는데, 이러한 상식을 정면으로 뒤집은 것이다.

결정화는 먼저 씨앗인 핵이 만들어지고 그 씨앗이 점점 성장하면서 진행된다. 큰 결정을 빠르게 얻기 위해서는 성장 중에 큰 결정이 더 크게 뭉쳐지는 ‘오스트발트 숙성(Ostwald ripening)3)’이 잘 일어나야 한다. 성장 과정 중 외부에서 충격이 가해질 경우, 작은 결정이 여러 개 만들어지고 큰 결정은 성장이 어렵다고 알려져 있다.

그러나 연구진은 이온성 고분자가 녹아 있는 용액에서 전혀 반대되는 현상을 발견했다. 용액 속에서 소용돌이를 만들어 충격을 주자 오히려 결정화가 빨라진 것이다. 연구팀은 이 현상이 ‘이온성 고분자가 결정으로 만들 물질 대신 용매를 흡착하기 때문’이라는 가설을 세웠다.

교신저자인 그쥐보프스키 그룹리더는 “결정 성장은 목표로 삼은 물질만 남기고 용매를 제거하는 과정이라고 볼 수 있다”며 “이온성 고분자가 포함된 용액에 흔들림을 주면, 회전력 뭉쳤던 고분자를 펴면서 고분자 사슬이 용매를 더 잘 흡착하는 것으로 봤다”고 말했다. 



연구진은 이 가설을 검증하기 위해 이온성 고분자를 포함한 용액에 회전력을 가하면서 결정화하는 실험을 진행했다. 실험 결과, 이 방법은 기존보다 최소 10배 이상 빨리 결정이 자랐으며, 성장속도는 회전속도와 고분자의 길이에 비례4) 했다.

이번 연구에서는 20개의 유・무기물질과 단백질 등의 결정화를 시도했는데, 새로운 방식을 쓰자 용매의 종류와 상관없이 결정 성장이 촉진됐다. 기존의 오스트발트 숙성이 아닌 새로운 물리적인 현상에 의해 결정화가 촉진되는 방법으로 학계에서 주목받고 있다5) .
그쥐보프스키 그룹리더는 “새로운 결정화 방법은 추가 연구를 거쳐 향후 신약개발이나 화학 공정에 적용되면 기존 연구의 효율성을 높일 수 있을 것”이라고 기대했다. 그는 이어 “이번 연구는 유체역학과 고분자 화학, 결정학 등을 망라한 융합 연구”라며 “가설 증명 과정이 새로운 법칙으로 확립된다면 학제 간 융합 연구의 모범사례가 될 것”이라고 덧붙였다.

연구결과는 세계적인 과학 학술지 네이처(Nature, IF 43.070) 지에 3월 4일 온라인 게재됐다. 


[참조]

1) 결정(Crystal)은 규칙적 형태를 지낸 고체를 말한다. 소금도 ‘결정’의 일종이다. 액체 상태에서 결정 석출되는 것을 결정화(Crystallization)라 한다.

2) 이온성 고분자(Ionic polymer): 고분자의 사슬에 이온성 작용기를 가진 고분자를 지칭한다.

3) 오스트발트 숙성(Ostwald ripening): 에멀젼 형태로 녹아 있는 입자들이 결정으로 성장하는 원리로, 입자의 크기가 다양한 경우 크기가 상대적으로 작은 입자는 계속해서 작아지고, 큰 입자는 점점 커져서 결국 작은 입자가 소멸해 버리는 현상을 말한다. 작은 입자의 경우 입자의 크기에 비해 표면적이 넓어 표면 에너지가 크고, 이를 감소시키기 위해서 큰 입자로 흡수된다. 

4) 고분자는 용액 속에서 마치 실타래처럼 엉킨 상태(entangled)로 존재하는데 회전력을 받으면 실타래처럼 엉켰던 고분자가 풀어지면서(전단박화) 표면에 붙는 용매 입자의 수가 많아진다. 따라서 결정화 속도가 빨라질 수 있다. 회전속도가 빠르면 회전력이 커 고분자가 더 잘 풀어지므로 결정화 속도가 빠르고, 고분자가 길이도 같은 원리로 설명할 수 있다.

5) 오스트발트 숙성의 경우 용액의 점도(Viscosity)가 낮고 용해도(Solubility)가 높을수록 빨라지는데, 이 실험에서는 오히려 반대의 현상(고분자 사슬의 길이, 즉 점도에 비례하고 용해도에 반비례)이 나타났다. 또한 타겟물질(결정화 하려는 물질), 용매의 종류에 상관없이(화학적 성질에 상관없이) 동일한 현상이 나타났는데 이는 이번에 발견된 현상이 오스트발트 숙성이 아닌 새로운 물리적 현상임을 보여준다.

(논문명: Enhancing crystal growth using polyelectrolyte solutions and shear flow)



용어 설명


1. 결정화(Crystallization)

결정화란 액체 혹은 기체의 균일상(Emulsion, 에멀젼)을 조작해 고체 입자를 얻는 것을 말한다. 바닷물을 증발시켜 소금을 얻는 것이 결정화의 한 예이다. 


2. 고분자 이온성 액체(Polyionic Liquid)

고분자의 형태를 이루는 이온성 액체. 이온성 액체의 ‘이온성 화합물’인 염(Salt)이 저온에서 액체 상태로 존재하는 것을 말한다. 소금은 대표적인 염으로, 물에 잘 녹지만 그 녹는점이 매우 높아 상온에서 액체로 존재하기 힘들다. 


3. 오스트발트 숙성(Ostwald ripening)

용액(Emulsion)의 결정화를 설명하는 이론 중 하나. 에멀젼 형태로 녹아 있는 입자들이 결정으로 성장하는 원리로서, 입자의 크기가 다양한 경우 크기가 상대적으로 작은 입자는 계속해서 작아지고, 큰 입자는 점점 커져서 결국 작은 입자가 소멸해 버리는 현상을 말한다. 작은 입자의 경우 입자의 크기에 비해 표면적이 넓어 표면 에너지가 크고, 이를 감소시키기 위해서 큰 입자로 흡수된다. 오스트발트 숙성은 용액의 점도가 낮고 용해도가 높을수록 잘 일어난다. 참고로 이번 실험에서는 고분자의 길이가 길수록, 즉 점도가 높고 용해가 낮을수록 성장이 잘 일어났다. 이 때문에 오스트발트 숙성이 아닌 물리적 현상으로 인한 결정화 촉진으로 해석하고 있다. 


4. 전단박화(Shear thinning)

유체가 전단력(shear force, 크기는 같고 방향은 다른 힘)을 지속적으로 받을 때 유체의 겉보기 점도가 시간이 지남에 따라 감소하는 현상. 주로 페인트가 이러한 특성을 갖는데, 페인트를 휘저어 주면(전단력을 주면) 유체의 끈적임(viscosity)이 덜해져(전단박화) 균일하게 도포가 가능하다.



그림   설명


회전력에 의해 ‘고분자(Polymer)’가 풀어지면서 더 많은 ‘용매(Solvent) 분자’가 달라붙게 된다. 용매 분자는 ‘결정화 대상 물질(Crystallizing substance)’과 고분자 표면에 흡착하는데, 고분자 표면에 흡착되는 양이 증가하면 결정화 대상 물질에 있던 용매가 제거되면서 결정이 크고 빠르게 성장하게 된다. 





이중 실린더 형태의 쿠에트셀(Couette Cell)에 결정화 대상 물질과 이온화 고분자, 용매를 넣고 내부 실린더를 일정한 속도로 회전시키면서 결정을 만든다. 회전력을 가했을 때(with shear) 결정의 크기가 크고, 성장 속도도 더 빠르다. 



결정의 크기가 클수록 결정 주변의 국부적 회전력(shear rate)이 더 증가한다. 따라서 오스트발트 숙성처럼 큰 결정의 성장 속도가 더 빠르다. 


연구진 이력사항


[바르토슈 그쥐보프스키 첨단연성물질 연구단 그룹리더, 교신저자]

1. 인적사항
 ○ 소  속 : 기초과학연구원(IBS) 첨단연성물질 연구단  울산과학기술원(UNIST) 자연과학부 
 ○ 전  화 : 052-217-5522
 ○ e-mail : grwybor72@unist.ac.kr

2. 학력사항
2000 박사, 하버드대학교
1995 학사, 예일대학교

3. 경력사항
2014 - 현재 IBS 첨단연성물질 연구단, 그룹리더 
2014 - 현재 UNIST 자연과학부 특훈교수
2009 - 현재  GSI L.L.C., 대표
2009 – 2014 미 노스웨스턴대 비평형에너지 연구센터 총괄
2003 – 2014 미 노스웨스턴대 교수

4. 전문 분야 정보 

2006 미국화학회 콜로이드와 표면화학 유니레버 어워드 수상 
2007 슬로안(Sloan) 펠로십 선정 
2007 영국 왕립학회 연성물질 어워드(Soft Matter Award) 수상 
2013 국제나노과학회(International Society for Nanoscale Science) 나노과학상(Nanoscience Prize) 수상
2015 영국 왕립학회(Royal Society of Chemistry) 화학분야 펠로 선정
2016 미국 포어사이트 연구소 파인만 상(Feynman Prize in Nanotechnology) 수상


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