UNIST (총장 이용훈) 물리학과 정준우 교수팀은 액정(카이랄 액정)에서 새로운 결함 구조를 발견하고, 이 결함 구조를 위상수학으로 해석하는 데 성공했다. 기존의 액정 연구에 활용되는 위상수학 이론으로는 발견된 액정의 위상학적 결함을 설명할 수 없었다.
그림1. 美국립과학원회보 (PNAS) 전면 표지 선정
연구팀은 ‘카이랄 위상 불변 값’을 새롭게 제시해 발견된 결함의 위상학적 형태를 설명할 수 있었다. 또 실험한 카이랄 액정의 특수 탄성 때문에 이 같은 위상학적 결함이 발생한다는 사실도 밝혀냈다.
위상수학은 물질의 기하학적 형태가 바뀔 때 보존되거나 불연속적으로 변하는 특성을 연구하는 분야다. 물질의 형태 등을 수학적 데이터로 표현하기 때문에 우주물리학, 인공지능 같은 다양한 분야에 쓰인다. 물질의 자성, 전도성 변화와 같은 물리적 현상을 위상수학으로 설명한 연구가 2016년에 노벨 물리학상을 타기도 했다.
실험에 쓴 카이랄 크로모닉 액정은 아주 가는 원통 관에 들어가면 액정 분자들이 나선형 계단처럼 꼬여서 배열되는 특성이 있다. 이때 왼쪽 또는 오른쪽의 꼬임방향(카이랄성)을 갖는데, 그 확률이 같아 각 방향의 꼬임을 갖는 구조(domain)들이 하나의 원통에 공존한다. 이 상태에서 카이랄성 물질을 첨가하면, 첨가된 카이랄 물질의 꼬임 방향에 맞춰 액정의 꼬임 방향이 하나로 통일된다.
모세관에 갇혀있는 카이랄 크로모닉 액정의 구조를 편광 현미경을 이용하여 관찰함. 밝은색 선이 모인 지점이 위상학적 결함이다.
연구팀은 이 상태에서 카이랄 물질을 더 첨가하면 액정에 예기치 못한 형태의 위상학적 결함이 생기는 것을 발견했다. 꼬인 방향은 같지만 회전 각도가 90도와 270도로 다른 두 구조가 만나 생기는 결함이었다. 기존 액정 연구에 쓰인 위상수학 이론은 90도 회전한 구조와 270도 회전한 구조를 구분하지 못하기 때문에 결함이 실험적으로 관찰됨에도 불구하고 이를 위상수학의 언어로 표현할 수가 없었다.
제1 저자인 은종희 UNIST 물리학과 연구원은 “실험과 이론 그룹간의 집요한 공동 노력 덕분에 우연한 관찰이 새로운 과학적 발견으로 이어졌다”라며 “이번 발견은 액정 연구뿐만 아니라 의학이나 바이오 분야에서 다양한 카이랄 물질에 대한 이해를 높이는 데 도움이 될 것”이라고 밝혔다.
정준우 교수는 “위상수학으로 물질 특성을 설명하는 것이 최근 물리학의 연구 추세”라며 “위상수학을 통해 물질에 생긴 결함을 이해하게 되면, 물질에 특정 성능을 부여하기 위해 필요한 결함을 인위적으로 설계하는 데 도움이 될 것”이라고 설명했다.
영국의 더럼 대학(Durham university), 브리스틀 대학(University of Bristol)과 공동연구로 이뤄진 이번 연구는 미국국립과학원회보(PNAS) 8월 17일자 표지논문으로 출판됐다. 연구수행은 과학기술정보통신부·한국연구재단의 연구과제(신진연구자 지원사업, 기초연구실 지원사업)와 기초과학연구원 첨단연성물질 연구단의 지원으로 이뤄졌다.
