- 미세유체 장치로 오일 액적 내 콜로이드 입자의 육각형 결정 전이 실시간 관찰
- 장거리 전기적 반발력이 열적 요동 압도할 때 질서 형성…'위그너 크리스탈'과 유사
- 국제 저명 학술지 '네이처 커뮤니케이션스' 게재 및 특집 논문 선정 쾌거
경희대학교(총장 김진상)는 화학공학과 박범준 교수 연구팀이 미세유체 장치를 활용해 오일 액적 속 콜로이드 입자의 자발적 질서 형성(ordering) 현상을 규명하는 데 성공했다고 31일 밝혔다.
연구팀은 알지네이트(alginate) 하이드로겔 콜로이드 입자가 포함된 미세한 오일 액적을 정밀하게 제작했다. 이후 이 제한된 공간 안에서 콜로이드 입자들이 시간이 지남에 따라 무질서한 상태에서 규칙적인 육각형 결정 구조로 전이하는 과정을 실시간으로 관찰하고 이를 정량적으로 분석해 냈다.
이러한 자발적 구조 형성의 핵심 원리는 '시간에 따라 변화하는 전기적 상호작용'에 있었다. 연구팀은 장거리 전기적 반발 상호작용(long-range electrostatic repulsive interaction)이 입자들의 열적 요동(thermal fluctuation)을 압도하는 순간 질서 형성이 나타난다는 사실을 확인했다.
이는 전자계에서 전자들이 서로의 반발력으로 규칙적으로 배열되는 현상인 '위그너 크리스탈(Wigner crystal)'과 개념적으로 유사한 측면을 보여 학계의 주목을 받는다.
지금까지의 연구가 주로 평형 상태에서의 구조 형성을 다룬 것과 달리, 이번 연구는 비평형 조건에서의 질서 형성 메커니즘을 규명할 수 있는 새로운 실험 플랫폼을 제시했다는 점에서 과학적 의미가 크다.
연구팀은 이번 성과를 통해 비평형 연성물질 시스템에서 질서가 형성되는 근본 원리를 탐구할 수 있는 모델 시스템을 확립하게 되었다.
또한 미세유체 기술을 활용한 정밀한 구조 형성과 제어 가능성을 제시하며, 향후 다양한 콜로이드 및 하이드로겔 시스템 연구로 확장할 수 있는 탄탄한 기반을 마련했다.
박범준 교수는 “시간에 따라 상호작용이 변화하는 비평형 환경에서 콜로이드 입자들이 어떻게 질서를 형성하는지를 실시간으로 관찰하고 정량적으로 분석했다”며, “복잡계 물질에서의 상호작용과 구조 관계를 높여 향후 다양한 복잡계 물질 연구로 확장할 계획”이라고 연구의 의의와 포부를 밝혔다.
한편, 이번 연구 결과는 그 학술적 우수성을 인정받아 지난 3월 국제 저명 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications, IF=15.7)’에 게재됐다.
아울러 해당 저널 에디터가 선정하는 '무기 및 물리화학(Inorganic and Physical Chemistry)' 분야의 특집(Featured article)으로도 소개되며 관심을 모으고 있다.
bjlee@beyondpost.co.kr
