마이크로 어레이 구조체의 카이럴성을 자기장으로 실시간 전환하는 시스템을 저명 국제학술지 ‘ACS Nano’에 발표

한양대 유기나노공학과 위정재 교수팀이 지난달 25 일 자연의 꽃송이 형상을 모사하여 카이랄성을갖지않는 3차원 마이크로 어레이 구조체를 만들고, 외부 자성을 이용해 구조물을 반시계와 시계 카이럴성으로 선택적으로 전환하는 연구결과를 발표했다.

카이럴성이란 수직선이나 어떤 점을 중심으로 구조물을 반전시켰을 때 대칭성이 없어 서로 겹쳐지지 않는 성질을 말한다. 수직선 중심의 대칭은 거울 대칭성이고 점 중심의 대칭은 점 대칭성이라고 하며, 임의의 구조물이 두 대칭성 중 하나만 가져도 카이럴성의 반대인 아카이럴성을 가진다고 표현한다.

위 교수 연구팀의 삼차원 마이크로 어레이 구조체는 아카이럴성의 잔디패랭이꽃(Phlox Subulata)과 반시계 카이럴성을 가지는 만데빌라(Mandevilla)와 같은 꽃송이들을 자연 모사하여 제조되었다. 어레이는 다섯 개 또는 여섯 개의 반원 기둥이 일정한 간격을 두고 방사형으로 배열된 형태로 거울 대칭성과 점 대칭성을 가지기 때문에 아카이럴성이지만, 이 아카이럴 어레이 내의 반원 기둥들 내부에 수평방향으로 자성입자를 배열시켰기 때문에 자기장을 가할 때만 기둥 상단이 뒤틀리고 어레이의 카이럴성이 나타나도록 설계되었다.

반원 기둥들의 뒤틀림 방향은 가하는 자기장의 방향에 대해 자기반발에너지를 최소화하는 방향으로 일어난다. 시계방향으로 뒤틀린 기둥들의 어레이는 반시계 카이럴성을 가지지만, 자기장 방향을 바꾸면 기둥들이 반시계방향으로 뒤틀리면서 어레이가 시계 카이럴성을 가지게 된다. 이 때 뒤틀리는 기둥의 개수가 짝수가 아닌 홀수여야 대칭성이 모두 깨지고 카이럴성이 성립함 또한 이 연구로 밝혀졌다.

3차원이면서 마이크로 크기인 반시계 또는 시계 카이럴성 어레이 구조체는 선택적으로 왼손잡이 또는 오른손잡이 편광된 빛을 감지하거나 유전자 단백질의 결합 쌍을 감지하는 장치 개발에 활용될 수 있어 미래 응용이 기대된다.

이번 연구는 한양대학교 교비 연구사업은 물론 한국연구재단, 미국 로렌스 리버모어 국립연구소, 미 공군연구소의 지원을 받아 수행되었다. 또한 미 로렌스 리버모어 국립연구소의 박세진 박사와 미 공군연구소의 구자현 박사와의 공동연구로 진행되었다.

해당 논문 (제목 : On-Demand Dynamic Chirality Selection in Flower Corolla-like Micropillar Arrays)은 한양대학교 산업과학연구소 및 인하대학교 고분자환경융합공학 전공의 박정은 석박통합과정 학생이 1저자로 참여하고, 미국의 저명한 국제학술지 「에이씨에스 나노 (ACS Nano, IF=18.027)」에 게재됐다.