공중에 띄운 결정(crystal), 신소재 개발의 기반이 되다-콜로이드 액체의 결정화 방법 개발

공중에 띄운 결정(crystal), 신소재 개발의 기반이 되다-콜로이드 액체의 결정화 방법 개발

 

2020-04-28관리자

 

공중에 띄운 결정(crystal), 신소재 개발의 기반이 되다
-콜로이드 액체의 결정화 방법 개발-

소금을 얻는 가장 쉬운 방법은 무엇일까? 바닷물을 증발시키면 된다. 바닷물에서 물을 증발시키면, 물에 녹아있던 소금들이 결정이 되어 나타난다. 이처럼 액체 또는 기체 상태에 있는 무질서한 입자들이 일정한 배열을 가지는 고체로 변하는 현상을 결정화라고 한다.

어떤 물질의 결정화 과정을 정확히 관찰하고 파악하는 것은 매우 중요하다. 물질이 형성되는 과정을 조정해 원하는 물질을 만들 수 있기 때문이다. 이를 이용하면 다방면에서 활용될 신소재를 개발할 수 있다.

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민) 소재융합측정연구소 극한측정연구팀*은 밀리미터 크기 콜로이드** 액체를 공중에 띄워 결정화 과정을 실시간으로 관찰하는 방법을 개발했다.
* 황혜림 Post-Doc.(박사 후 연구원), 조용찬 선임연구원, 이수형·이근우 책임연구원
** 콜로이드는 우유나 혈액, 마요네즈, 안개처럼 입자들이 다른 물질 속에 골고루 퍼져 떠다니는 상태의 혼합물을 말한다. 예를 들어 우유는 투명한 물(용매)에 단백질, 칼슘 등이 고르게 퍼져 둥둥 떠다니는 상태다.

연구팀은 정전기 공중부양 장치와 산란장치를 결합한 장비를 사용해 콜로이드 액체를 공중에서 증발시키고 실시간으로 결정화를 관찰하는 획기적인 방법을 사용했다. 이는 공중 부양한 콜로이드 액체와 다른 물체의 접촉을 원천적으로 차단한다는 장점이 있다.
기존 연구자들은 콜로이드 액체의 결정화를 페트리 접시 등의 용기를 사용해 관찰했다. 이 방법으로는 물질의 결정화를 제대로 파악하기 어려웠다. 물질과 용기가 닿은 부분에서 결정화가 일어나거나, 용기와의 굴절률 차이 등으로 용기표면에서 액체 모양의 변형이 생겨 정확한 부피 측정이 어려웠기 때문이다.

KRISS 연구팀이 개발한 정전기 공중부양 장치를 이용하면 콜로이드 액체가 공중에서 구형을 이루고, 물의 증발이 구형의 액체 전체 표면에서 고르게 일어나므로 결정화가 매우 균일하게 진행된다. 구형의 액체는 부피 측정이 용이하므로 결정화를 조절하는 핵심 인자인 충밀도*를 정확히 추정할 수 있다.
* 충밀도(packing fraction): 물질의 전체 부피 중에서 입자들이 차지하는 부피의 비.

레이저나 빛 등의 광원을 액체에 직접 쬐어 관찰하는 산란장치를 이용해 결정화 과정을 실시간으로 관찰할 수 있다. 공중에 뜬 콜로이드 액체는 어떠한 물체와도 접촉하지 않으므로 광원이 콜로이드 액체로부터 직접 산란된다. 이때 파장의 색깔 변화를 통해 입자들의 거리와 배열 등을 곧바로 측정할 수 있다.

KRISS 이수형 책임연구원은 “콜로이드 입자들의 분포, 서로 엉겨 붙는 성질 및 형태 등을 파악해 결정화 현상을 제어하면 유·무기 화합물의 고순도 분리 및 결정입자 제조 등 다양한 성질의 신소재를 개발할 수 있다”라며, “이번 기술이 표면이 갈라지지 않는 페인트, 체내 흡수를 훨씬 빠르게 만드는 약물 등 다방면에서 유용하게 활용되기를 기대한다”라고 말했다.

KRISS 조용찬 선임연구원은 “이번 성과는 눈에 보이지 않는 원자들의 결정화를 눈에 보이는 크기의 콜로이드를 이용해 관찰한 것으로써, 단백질 결정화 연구까지 확대한다면 인체의 단백질 결정인 결석, 통풍 등의 연구에도 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

KRISS 이근우 책임연구원은 “이번 연구결과는 초고온 금속액체의 극한 물성 연구를 위한 정전기 공중부양 장치를 다른 분야(화학공학 및 바이오)에 적용한 결과”라며, “앞으로도 극한 연구의 과정과 결과가 학문적·기술적으로 타 분야에 적용 및 활용되길 기대한다”라고 말했다.
이번 연구 결과는 재료과학분야의 세계적 학술지인 스몰(Small, IF: 10.856)에 커버로 게재됐다.

붙임1
연구성과 추가 설명

□ 정전기 공중부양 장치

두 전극 사이에 중력을 극복할 만큼의 강한 전압을 걸어 물체를 부양시키는 장치다. 미국(NASA), 일본(JAXA), 독일(DLR) 등의 선진 항공우주국에서만 보유하고 있는 최첨단 장비로 KRISS는 2010년 자체 개발에 성공했다.

□ 극한측정연구팀 및 연구 배경 소개

극한측정연구팀의 연구주제 중 하나는 3000 K 이상의 초고온 액체금속 물질의 물성 측정기술 개발이다. 이 연구로 액체금속의 열, 구조, 광학, 전기적 물성을 측정할 수 있고 이를 활용해 결정화, 즉 고체 물질이 형성되는 근본 메커니즘을 규명하고자 한다.

하지만 수천 도의 높은 온도에서 발생하는 액체금속의 결정화를 이해한다는 것은 극한 환경을 구현하고 제어하는 것뿐 아니라, 원자 수준의 정밀한 측정기술 개발이 필요한 매우 도전적인 일이다. 극한 환경을 조절하면서도 극한 환경 아래에서 원자 수준의 측정기술을 개발해야 하는 어려움을 대신할 수 있는 모델링 시스템이 있다면, 연구를 수행하는데 매우 도움이 될 수 있다.

2010년 KRISS에서 독자적으로 개발한 정전기 공중부양 기술을 적용할 수 있는 새로운 분야도 찾고 있었다. 이러한 모델 시스템이 콜로이드 액체였으며, 실제 콜로이드 액체는 액체금속과 비슷한 구조기 때문에 결정화 과정도 유사성을 보인다. 연구팀의 궁극적인 목표는 극한 환경에서 물질이 형성되는 과정을 원자 공간 및 시간에서 추적하는 측정기술을 개발하는 것이다.

□ 기존 연구성과 소개

이번 연구 결과는 극한측정연구팀에서 초고온 물성 연구용으로 개발한 정전기 부양기술이 타 분야에 적용된 좋은 예다. 연구팀은 이미 2016년 부양된 수용액에서 단결정을 성장시킬 수 있음을 증명했다. 특히 기존 용기를 사용한 기법에서는 달성할 수 없는 초과포화 상태를 정전기 부양기술로 구현해, 상온에서는 얻을 수 없는 새로운 물질 상을 발견하기도 했다. (이수형·이근우 책임연구원, PNAS, 2016).

- 2016년 연구성과 링크(공중부양장치로 지구상에 없는 새로운 물질상 발견):
https://www.kriss.re.kr/information/report_data_view.do?seq=2076&page=9&num=86&searchType=title&searchWord=

□ 연구 성과 활용방안

극한측정연구팀(황혜림 Post-Doc., 조용찬 선임연구원, 이수형·이근우 책임연구원, Small, 2020)이 수행한 연구는 기존 기술이 콜로이드 용액 연구에 확장될 수 있음을 규명한 것으로 앞으로 정확한 콜로이드 결정화 메커니즘을 밝히는 데 활용되길 기대한다. 또한, 단백질에서의 결정화 연구도 가능하므로, 인체에서 발생하는 결석, 통풍 등 다양한 단백질 결정화 연구에도 활용되길 기대한다.

□ 논문명 및 주소
- 논문명: “Real‐Time Monitoring of Colloidal Crystallization in Electrostatically‐Levitated Drops”
Small (IF – 10.856) (2020.2.12.)
- https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.201907478

□ 지원사업 정보
- 한국표준과학연구원 주요사업

붙임2
연구성과 사진

 

▲ 정전기 공중부양 장치의 원리와 산란장치를 결합한 장치의 개념도(위),
콜로이드 액체의 실시간 충밀도의 변화와 결정화 과정을 관찰한 이미지(아래)

▲ 콜로이드 액체를 공중에 부양시켜 실험을 진행하는 모습

▲ 이번 연구성과는 스몰(Small)의 3월호 Back Cover로 게재됐다.

▲ KRISS 조용찬 선임연구원이 공중에 뜬 콜로이드 액체의 결정화 과정을 관찰하고 있다.

▲ KRISS 조용찬 선임연구원이 공중에 뜬 콜로이드 액체의 결정화 과정을 관찰하고 있다.

 

▲ KRISS 연구팀이 자체 개발한 장비를 사용해 콜로이드 액체의 결정화 실험을 진행하고 있다.

▲ KRISS 극한측정연구팀 조용찬 선임연구원(좌), 이수형 책임연구원(우)

붙임3
연구팀 프로필

1. 인적사항
○ 성 명 : 이 수 형
○ 소 속 : 한국표준과학연구원 소재융합측정연구소
○ 직 위 : 책임연구원

2. 경력사항
○ 2006～현재 : 한국표준과학연구원 책임연구원
○ 2015～현재 : 과학기술연합대학원대학교 나노과학학과 부교수
○ 2009～2012 : SLAC National Lab/DESY Hasylab Scientist
3. 수상실적
○ 2019 : 한국표준과학연구원 이달의 KRISS 인상
○ 2016 : 한국표준과학연구원 이달의 KRISS 인상
○ 2008 : 기초기술연구회 다빈치상(젊은과학자)

1. 인적사항
○ 성 명 : 조 용 찬
○ 소 속 : 한국표준과학연구원 소재융합측정연구소
○ 직 위 : 선임연구원

2. 경력사항
○ 2016～현재 : 한국표준과학연구원, 선임연구원
○ 2014～2016 : 한국표준과학연구원, 위촉연구원
○ 2006～2014 : 부산대학교 나노과학기술학대학, 연구교수
○ 2004～2006 : Stanford University/SLAC, 박사 후 연구원

1. 인적사항
○ 성 명 : 이 근 우
○ 소 속 : 한국표준과학연구원 소재융합측정연구소
○ 직 위 : 책임연구원

 

2. 경력사항
○ 2007～현재 : 한국표준과학연구원, 책임연구원
○ 2018～현재 : 한국표준과학연구원, 우대연구원
○ 2009～현재 : 과학기술연합대학원대학교, 나노과학학과, 교수
○ 2004～2007 : Lawrence Livermore National Lab, 박사 후 연구원

3. 수상실적
○ 2019 : 한국표준과학연구원 이달의 KRISS 인상
○ 2016 : 한국표준과학연구원 이달의 KRISS 인상
○ 2011 : 기초기술 연구회 우수신진연구자상
○ 2010 : 한국표준과학연구원 이달의 KRISS 인상
○ 2010 : 과학기술연합대학원 우수연구지도상