성냥개비 모양의 나노 물질이 스스로 조립하며 형상을 만드는 기술이 개발됐다.

울산과학기술원(UNIST)은 신소재공학과 손재성 교수 연구팀이 성냥개비 형상의 '황화은-황화카드뮴 무기물 나노 계면활성제' 제작에 성공했다고 27일 밝혔다.

이 물질 표면의 친수성(물과 친화성이 있는 성질)과 소수성(물과 친화성이 적은 성질)을 조절하면 다양한 형상의 자기조립 구조체를 만들 수 있어 나노 수준에서 '분자형 계면활성제'의 구조적 다양성을 재현할 수 있다.

한 물질이 친수성과 소수성을 보유하는 성질을 양친매성이라고 하는데, 비누나 세제 등에 쓰이는 계면활성제가 대표적이다.

양친매성 물질은 용매 특성에 따라 친화력이 낮은 부분을 숨긴다.

이렇게 하면 경계 부분의 에너지가 낮아지면서 스스로 뭉쳐지는 자기조립이 진행되는데, 규칙성이 있는 물질 구조를 만들기에 효과적이다.

하지만 분자형 양친매성 물질은 너무 작아 어떤 기능을 갖기 어려워 독특한 구조가 가진 이점만 이용해야 했다.

이에 최근 전하를 띠는 '친수성 표면 처리제'를 도입해 특정한 기능이 있는 나노 수준의 양친매성 물질을 만들려는 연구가 많아졌다.

공이나 아령 모양의 '기능성 무기 나노소재'의 표면 특성을 바꿔 분자보다 크면서 자기조립이 가능한 기능성 물질을 만드는 것이다.

연구팀은 공이나 아령 모양의 나노 물질은 종횡비 조절이 쉽지 않아 분자형 양친매성 물질에서 나타나는 다양한 구조를 재현하기 어려운 점을 고려해 종횡비가 높은 나노 성냥개비를 합성하고, HSAB(Hard Soft Acid Base) 이론 기반 선택적 리간드 치환 공정(selective ligand exchange)을 통해 무기 나노 계면활성제를 제작했다.

개발된 나노 계면활성제는 '친수성을 띠는 머리'와 '소수성을 띠는 긴 줄기'로 구성됐다.

이런 양친매성을 이용하면 액체 방울이나 특정한 자기조립체로 조직화가 가능하다.

또 종횡비와 표면 양친매성의 조절을 통해 곡면, 주름, 원통형 등의 구조를 선택해 자기조립할 수 있다고 연구팀은 설명했다.

손재성 교수는 "높은 종횡비의 나노 계면활성제는 기존 공 모양이나 아령 형상에서 구현이 불가능했던 더 넓은 범위의 기능성 나노 구조체 제작을 가능하게 했다"며 "수직 방향으로 구조 조절을 하는 부분은 나노 계면활성제의 구조적 다양성을 확장하는 뛰어난 기술"이라고 말했다.

연구 결과는 미국화학회에서 발행하는 학술지 '미국화학회 골드지'(JACS Au) 10월호 속표지 논문으로 선정돼 출판됐다.

연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 도전형소재기술개발 프로그램, 글로벌박사펠로우십의 지원을 받아 이뤄졌다.