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신약개발이나 첨단 신소재 연구에는 ‘후보물질의 특성을 꼼꼼히 파악하는 일’이 가장 중요하다. 각 물질의 특성을 분석하려면 이들을 순도 높은, 크기가 큰 ‘결정(Crystal)’으로 만드는데, 최근 네이처(Nature)에 큰 결정을 기존보다 10배 이상 빨리 성장시키는 ‘결정화(Crystallization)’ 방법이 소개돼 주목받고 있다. |
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*결정(Crystal): 규칙적 형태를 지낸 고체를 말한다. 우리가 매일 먹는 소금도 ‘결정’의 일종이다. 액체 상태에서 결정이 석출되는 것을 결정화(Crystallization)라 한다. |
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UNIST(총장 이용훈) 자연과학부의 바르토슈 그쥐보프스키 특훈교수(IBS 첨단연성물질 연구단 그룹리더)가 이끄는 국제공동연구팀은 ‘이온성 고분자가 포함된 용액(Polyionic Liquid)’에서 ‘흔들림’이 성장하는 결정에 충격(mechanical disturbance)을 주어 결정화를 촉진함을 발견하고 그 원인을 규명했다. 용액 속 물질이 결정화할 때 외부 충격을 적게 받을수록 큰 결정이 만들어진다고 알려졌는데, 이러한 상식을 정면으로 뒤집은 것이다. |
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*이온성 고분자(Ionic polymer): 고분자의 사슬에 이온성 작용기를 가진 고분자를 지칭한다. |
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결정화는 먼저 결정 씨앗(핵)이 만들어지고 그 씨앗이 점점 성장하면서 진행된다. 큰 결정을 빠르게 얻기 위해서는 성장 중에 큰 결정이 더 크게 뭉쳐지는 ‘오스트발트 숙성(Ostwald ripening)’이 잘 일어나야 한다. 이 경우 외부에서 가해지는 충격은 작은 결정을 여러 개 만들기 때문에 큰 결정의 성장을 방해한다고 알려졌다. |
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*오스트발트 숙성(Ostwald ripening): 에멀젼 형태로 녹아 있는 입자들이 결정으로 성장하는 원리로써, 입자의 크기가 다양한 경우 크기가 상대적으로 작은 입자는 계속해서 작아지고, 큰 입자는 점점 커져서 결국 작은 입자가 소멸해 버리는 현상을 말한다. 작은 입자의 경우 입자의 크기에 비해 표면적이 넓어 표면 에너지가 크고, 이를 감소시키기 위해서 큰 입자로 흡수된다. |
그런데 바르토슈 그쥐보프스키 교수팀은 이온성 고분자가 녹아 있는 용액에서는 이런 통념과 반대되는 현상을 발견했다. 용액 속에서 소용돌이 같은 흐름(Shear flow)이 생겨 충격(shear rate)을 주자 오히려 결정화가 빨라진 것이다. 연구팀은 이 현상이 ‘이온성 고분자가 결정으로 만들 물질 대신 용매(solvent)를 흡착하기 때문’이라는 가설을 세웠다. 그쥐보프스키 교수는 “결정의 성장은 목표로 삼은 물질만 남기고 용매를 제거하는 과정이라고 볼 수 있다”며 “이온성 고분자가 포함된 용액에 흔들림을 주면, 회전력이 나타나 뭉쳤던 고분자를 펴면서 고분자 사슬이 용매를 더 잘 흡착한다고 봤다”며 결정화가 촉진되는 이유를 설명했다. |
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연구팀은 이 가설을 검증하기 위해 이온성 고분자를 포함한 용액에 회전력을 가하면서 결정화하는 실험을 진행했다. 실험 결과, 이 방법은 기존보다 최소 10배 이상 빨리 결정이 자랐으며, 성장속도는 회전속도와 고분자의 길이에 비례했다. |
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*고분자는 용액 속에서 마치 실타래처럼 엉킨 상태(entangled)로 존재하는데 회전력을 받으면 실타래처럼 엉켰던 고분자가 풀어지면서(전단박화) 표면에 붙는 용매 입자의 수가 많아진다. 따라서 결정화 속도가 빨라질 수 있다. 회전속도가 빠르면 회전력이 커 고분자가 더 잘 풀어지므로 결정화 속도가 빠르고, 고분자가 길이도 같은 원리로 설명할 수 있다. |
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이번 연구에서는 20개의 유・무기물질과 단백질 등의 결정화를 시도했는데, 새로운 방식을 쓰자 용매의 종류와 상관없이 결정 성장이 촉진됐다. 기존의 오스트발트 숙성이 아닌 새로운 물리적인 현상에 의해 결정화가 촉진되는 방법으로 학계에서 주목받고 있다. |
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*오스트발트 숙성의 경우 용액의 점도(Viscosity)가 낮고 용해도(Solubility)가 높을수록 빨라지는데, 이 실험에서는 오히려 반대의 현상(고분자 사슬의 길이 비례, 즉 점도에 비례하고 용해도에 반비례함)이 나타났다. 또한 타겟물질(결정화 하려는 물질), 용매의 종류에 상관없이(화학적 성질에 상관없이) 동일한 현상이 나타났는데 이는 이번에 발견된 현상이 오스트발트 숙성이 아닌 ‘새로운 물리적 현상’임을 보여준다. |
그쥐보프스키 교수는 “새로운 결정화 방법은 추가 연구를 거쳐 향후 신약개발이나 화학 공정에 적용되면 기존 연구의 효율성을 높일 수 있을 것”이라고 기대했다. 그는 이어 “이번 연구는 유체역학과 고분자 화학, 결정학 등을 망라한 융합 연구”라며 “가설 증명 과정이 새로운 법칙으로 확립된다면 학제 간 융합 연구의 모범사례가 될 것”이라고 덧붙였다. 한편 이번 연구는 기초과학연구원(IBS)에서 지원했으며, 세계적인 과학 학술지 네이처(Nature) 3월 4일자에 게재됐다. |
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논문명: Enhancing crystal growth using polyelectrolyte solutions and shear flow |
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[붙임] 용어설명 |
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1. 결정화(Crystallization) 결정화란 액체 혹은 기체의 균일상(Emulsion, 에멀젼)을 조작해 고체 입자를 얻는 것을 말한다. 바닷물을 증발시켜 소금을 얻는 것이 결정화의 한 예이다. 2. 고분자 이온성 액체(Polyionic Liquid) 고분자의 형태를 이루는 이온성 액체. 이온성 액체의 ‘이온성 화합물’인 염(Salt)이 저온에서 액체 상태로 존재하는 것을 말한다. 소금은 대표적인 염으로, 물에 잘 녹지만 그 녹는점이 매우 높아 상온에서 액체로 존재하기 힘들다. 3. 오스트발트 숙성(Ostwald ripening) 용액(Emulsion)의 결정화를 설명하는 이론 중 하나. 에멀젼 형태로 녹아 있는 입자들이 결정으로 성장하는 원리로써, 입자의 크기가 다양한 경우 크기가 상대적으로 작은 입자는 계속해서 작아지고, 큰 입자는 점점 커져서 결국 작은 입자가 소멸해 버리는 현상을 말한다. 작은 입자의 경우 입자의 크기에 비해 표면적이 넓어 표면 에너지가 크고, 이를 감소시키기 위해서 큰 입자로 흡수된다. 오스트발트 숙성은 용액의 점도가 낮고 용해도가 높을수록 잘 일어난다. 참고로 이번 실험에서는 고분자의 길이가 길수록, 즉 점도가 높고 용해가 낮을수록 성장이 잘 일어났다. 이 때문에 오스트발트 숙성이 아닌 물리적 현상으로 인한 결정화 촉진으로 해석하고 있다. 4. 전단박화(Shear thinning) 유체가 전단력(shear force, 크기는 같고 방향은 다른 힘)을 지속적으로 받을 때 유체의 겉보기 점도가 시간이 지남에 따라 감소하는 현상. 주로 페인트가 이러한 특성을 갖는데, 페인트를 휘저어 주면(전단력을 주면) 유체의 끈적임(viscosity)이 덜해져(전단박화) 균일하게 도포가 가능하다. |
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[붙임] 그림설명 |
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그림1. 이온성 고분자와 흔들림의 상호작용을 통한 결정의 성장 개념도 회전력에 의해 ‘고분자(Polymer)’가 풀어지면서 더 많은 ‘용매(Solvent) 분자’가 달라붙게 된다. 용매 분자는 ‘결정화 대상 물질(Crystallizing substance)’과 고분자 표면에 흡착하는데, 고분자 표면에 흡착되는 양이 증가하면 결정화 대상 물질에 있던 용매가 제거되면서 결정이 크고 빠르게 성장하게 된다. |
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그림2. 회전력(shear)를 더해 결정화를 진행한 실험 모식도와 결과: 이중 실린더 형태의 쿠에트셀(Couette Cell)에 결정화 대상 물질과 이온화 고분자, 용매를 넣고 내부 실린더를 일정한 속도로 회전시키면서 결정을 만든다. 회전력을 가했을 때(with shear) 결정의 크기가 크고, 성장 속도도 더 빠르다.
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그림3. 결정의 크기와 회전력의 상관관계: 결정의 크기가 클수록 결정 주변의 국부적 회전력(shear rate)이 더 증가한다. 따라서 오스트발트 숙성처럼 큰 결정의 성장 속도가 더 빠르다.
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