우리 학교 화학과 서명은 교수가 이끄는 연구팀이 지난 11일 친수성 사슬과 소수성 사슬이 무작위로 섞여 있는 고분자가 물에서 규칙적 구조를 만드는 것을 새로이 발견하고, 무질서로부터 질서를 생성할 수 있는 새로운 원리를 제시했다고 밝혔다. 이번 연구는 우리 학교 화학과 신민중 석박사통합과정 학생이 제1 저자로 연구를 주도하고, 우리 학교 화학과 윤동기 교수, GIST 이은지 교수 연구팀이 협업했다. 

양친매성과 힘의 불균형

 친수성 사슬과 소수성 사슬을 합성하는 과정을 무작위하게 진행하여 만든 고분자는 계면활성제나 세포막 이중층의 지질처럼 양친매성 분자*이다. 이때, 고분자에 물을 가해주면 소수성인 부분이 물과의 접촉을 최소화하고 수용성인 부분이 물분자와 더 많이 상호작용하려는 모습을 보인다. 이는 일종의 자연스러운 최적화 과정으로 볼 수 있다. 연구팀은 이 특성과 사슬의 길이 N이 충분히 큰 경우, 자신과 같은 사슬을 가지게 될 확률이 충분히 낮다는 사실을 바탕으로 무작위하게 배열된 고분자 사슬이 다른 고분자 사슬과 짝을 맞추는 과정에서 나타나는 힘의 불균형에 주목했다.

힘의 불균형에서 비롯된 사슬의 접힘

 무작위로 배열된 고분자가 물 속에서 다른 고분자 사슬과 짝을 맞추어 이중층들을 형성할 때, 두 고분자 사슬이 상반된 구조를 지녀 지용성 사슬들이 완벽하게 들어맞을 가능성은 매우 낮다. 즉, 일반적인 상황에서는 서로 짝을 맞추는 사슬 사이에서 지용성 사슬이 평균적인 분포보다 많이 분포하는 구간이 존재하여 해당 구간에서 힘의 불균형이 발생하게 된다. 불균형을 해소하기 위하여 고분자 사슬은 불균형이 나타나는 지점에서 접힘 구조를 택하여 지용성 사슬이 과하게 분포한 부분의 분포도를 줄이는 형태를 보인다.

 연구팀은 이러한 고분자의 거동을 설명하기 위하여 지용성 사슬과 수용성 사슬의 초기 존재비를  다르게 하며 고분자 사슬의 짝맞춤 과정을 여러 차례 분석했다. 그 결과, 지용성 사슬과 수용성 사슬의 존재비에 따라 이중층 구조의 접힘이 발생하는 빈도가 달라져 접힘 구간 사이의 거리, 즉 이중층 접힘 판상 구조의 두께가 달라짐을 관측했다. 

 더불어, 연구진은 고분자 사슬의 접힘 구조가 사슬의 길이 N이 50 이상일 때부터 주로 나타나는 점에 대해, N이 50 이상일 때부터는 사슬에 접힘이 존재하는 구조가 단순한 선형 구조보다 안정적으로 존재할 수 있기 때문이라는 사실도 발견했다.

이번 연구의 의의와 활용 가능성

 연구팀은 이번 연구의 결과를 응용할 수 있는 분야로 물리적 복제 방지 기술(PUF)을 제시하며, 고분자의 합성 과정에서 나타나는 무작위적 패턴의 생성을 응용할 수 있다고 답변했다. 이 외에도 연구팀은 이번 연구 결과를 액정의 배향**과 흐름성에 대한 연구에 접목하는 방식도 염두에 두고 있음을 언급했다.

 연구팀은 고분자를 활용한 연구는 무엇보다도 다양한 분야에 대한 지식의 습득이 선행되었을 때 큰 효과를 발휘함을 언급하며, 학생들에게 “관심을 가지고 있는 분야에 집중하는 것도 좋지만, 다양한 분야에 대한 지식을 습득하며 사고의 저변을 넓히면 스스로가 집중하는 분야에서 새로움을 찾을 수 있을 것 같다.”라고 덧붙였다.

양친매성 분자*
극성 용매와 비극성 용매에 모두 친화성을 띠는 분자를 통틀어 이르는 말

배향**
고분자로 이루어진 물질 속에서, 구성단위인 미세 결정이나 고분자 사슬이 일정한 방향으로 배열되는 것