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(왼쪽부터) GIST 신소재공학과 윤준연 박사과정생·황준호 박사과정생·이은지 교수. GIST 제공

국내 연구팀이 지금까지 이론적으로만 존재했던 ‘스케일링 이론(Scaling theory)’의 핵심 가설을 세계 최초로 실험적으로 입증했다.

스케일링 이론은 2개 이상의 서로 다른 고분자 블록이 연결된 '블록 공중합체'와 관련된 이론이다. 블록 공중합체 중 블록 1개 이상이 단단한 '결정성 블록 공중합체'는 용매와의 접촉을 피하려고 스스로 가장 에너지가 낮은 형태로 접혀 조립된다는 가설을 기반으로 하는 이론이다. 

광주과학기술원(GIST)은 이은지 신소재공학과 교수 연구팀이 결정성 블록 공중합체가 용액 속에서 스스로 조립되고 나노입자로 진화하는 전 과정을 실시간으로 관찰하고 정량적으로 분석했다고 26일 밝혔다.

연구팀은 실시간 액상 투과전자현미경(LP-TEM)을 활용해 대표적인 생분해성 생체적합 고분자인 '폴리에틸렌옥사이드-블록-폴리카프로락톤 공중합체(PEO-b-PCL)'에서 분자량과 블록 구성비에 따른 자기조립 과정을 실시간 관찰했다. PEO-b-PCL은 결정성 블록 공중합체다. 

관찰 결과 결정성이 없는 블록 공중합체에서는 볼 수 없었던 구형 나노입자들이 측면 결합을 통해 실린더나 도넛형 토로이드 형태로 진화하는 현상을 명확히 포착했다. 도넛형 토로이드 형태란 도넛 모양의 나노 구조다. 

연구팀이 포착한 모습은 결정성 블록 공중합체가 시스템의 에너지를 낮추기 위해 낮은 곡률(더 평평한 계면)을 선호하는 특성 때문에 일어난 현상이다. 이론으로만 존재하던 스케일링 이론의 핵심 내용을 실험으로 입증한 매우 중요한 발견이다.

고분자 사슬이 스스로 접히고 규칙적으로 배열되는 현상은 고성능 나노소재를 개발할 때 핵심적인 역할을 한다. 지금까지는 비결정성 블록 공중합체를 중심으로 연구가 진행돼 왔고 용액 상태에서 실시간 관찰이 어려워 구조 형성 원리를 밝히는 데 한계가 있었다.

연구팀은 발견한 현상을 이용해 안정적인 저차원(1차원, 2차원) 나노구조 형성에 결정화가 매우 유리하다는 점을 실험적으로 확인하기도 했다. 

이 교수는 “연구는 고분자 나노구조의 형성과 진화를 실시간으로 추적하고 정량 분석했다는 점에서 학술적으로 큰 의미가 있다”며 “특히 결정화 유도 자기조립이라는 복합 현상이 나노구조의 진화에 어떤 영향을 미치는지를 실험적으로 입증함으로써 기능성 나노소재의 새로운 설계 방향을 제시했다”고 설명했다.

논문 제 1저자인 황준호·윤준연 GIST 박사과정생은 "연구는 고분자 자기조립이 일어나는 분자 수준의 원리와 동역학을 정밀하게 규명한 첫 사례다"며 “향후 유기전자, 바이오센서, 약물전달체 등 첨단 기술에 필요한 나노구조를 정교하게 설계할 수 있는 기반이 될 수 있을 것”이라고 밝혔다. 연구에 서명은 KAIST 교수, 조지프 P. 패터슨 미국 어바인 캘리포니아대 화학과 교수가 참여했다.  

연구 결과는 국제학술지 매터(Matte)에 12일 온라인 게재됐다. 

<참고자료>
-DOI: 10.1016/j.matt.2025.102148

[이채린 기자 rini113@donga.com]

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