스스로 조립해 다양한 모양 만드는 ‘나노 성냥개비’

성냥개비 모양의 나노 물질이 스스로 조립되며 형상을 만드는 기술이 나왔다. 분자보다 큰 물질에서도 분자에서처럼 다양한 구조를 만들 수 있어 주목받고 있다.

손재성 신소재공학과 교수팀은 성냥개비 형상의 ‘황화은(Ag₂S)-황화카드뮴(CdS) 무기물 나노 계면활성제’ 제작에 성공했다. 이 물질 표면의 친수성과 소수성을 조절하면 다양한 형상의 자기조립 구조체를 만들 수 있다. 나노 수준에서 ‘분자형 계면활성제’에서 보여주던 구조적 다양성을 재현할 수 있다.

한 물질이 친수성과 소수성을 보유하는 성질을 ‘양친매성’이라고 한다. 비누나 세제 등에 쓰이는 ‘계면활성제’가 대표적이다. 보통 양친매성 물질은 용매 특성에 따라 친화력이 낮은 부분을 숨긴다. 이렇게 하면 경계 부분의 에너지가 낮아지면서 스스로 뭉쳐지는 자기조립(self-assembly)이 진행되는데, 규칙성을 갖는 물질 구조를 만들기에 효과적인 기술로 알려졌다.

하지만 분자형 양친매성 물질은 너무 작아서 어떤 기능을 가지기는 어려웠다. 따라서 독특한 구조가 가진 이점만 이용해야 했는데, 최근 전하를 띠는 ‘친수성 표면 처리제’를 도입해 특정한 기능을 가지는 나노 수준의 양친매성 물질을 만들려는 연구가 많아졌다. 공이나 아령 모양의 ‘기능성 무기 나노소재’의 표면 특성을 바꿔서 분자보다 크면서 자기조립이 가능한 기능성 물질을 만들려는 것이다.

제1저자인 구다휘 신소재공학과 석‧박통합과정 연구원은 “공이나 아령 모양의 나노 물질은 종횡비(aspect ratio) 조절이 쉽지 않아 분자형 양친매성 물질에서 나타나는 다양한 구조를 재현하기 어려웠다”며 “이번 연구에서는 높은 종횡비를 갖는 나노 성냥개비를 합성했으며, HSAB(Hard Soft Acid Base) 이론 기반 선택적 리간드 치환 공정(selective ligand exchange)을 통해 무기 나노 계면활성제를 제작했다”고 설명했다.

새로 개발한 해당 나노 계면활성제는 ‘친수성을 띠는 머리’와 ‘소수성을 띠는 긴 줄기’로 구성돼 있다. 이런 양친매성을 이용하면 액체 방울이나 특정한 자기조립체로 조직화가 가능하다. 또 종횡비와 표면 양친매성의 조절을 통해 곡면, 주름, 원통형 등의 구조를 선택해 자기조립할 수 있음을 보여줬다.

손재성 교수는 “높은 종횡비를 갖는 나노 계면활성제는 기존의 공 모양이나 아령 형상에서 구현이 불가능했던 더 넓은 범위의 기능성 나노 구조체의 제작을 가능하게 했다”며 “수직 방향으로 구조 조절을 하는 부분은 나노 계면활성제의 구조적 다양성을 확장하는 뛰어난 기술”이라고 강조했다.

이번 연구는 미국화학회에서 발행하는 저명한 학술지 ‘미국화학회 골드지(JACS Au)’ 10월호 속표지 논문(supplementary cover)으로 선정돼 출판됐다. 연구 수행은 한국연구재단 중견연구자 지원사업, 도전형소재기술개발 프로그램, 글로벌박사펠로우십의 지원으로 이뤄졌다.