울산과학기술원(UNIST)은 물리학과 정준우 교수팀이 카이랄 액정의 새로운 결함 구조를 발견해 위상수학으로 해석하는 데 성공했다고 23일 밝혔다.

연구팀에 따르면 '카이랄성'(chirality)은 자신의 거울 상과 겹치지 않는 구조적 특성을 뜻하는 용어로, 카이랄성 구조의 대표적 예로는 DNA가 있다.

또 위상수학은 물질의 기하학적 형태가 바뀔 때 보존되거나 불연속적으로 변하는 특성을 연구하는 분야로, 물질의 형태 등을 수학적 데이터로 표현하기 위해 우주물리학, 인공지능 등 다양한 분야에 쓰인다.

연구팀이 실험에 사용한 카이랄 크로모닉 액정은 아주 가는 원통 관에 들어가면 액정 분자들이 나선형 계단처럼 꼬여서 배열되는 특성이 있다.

이때 왼쪽 또는 오른쪽의 꼬임 방향인 카이랄성을 갖는데, 그 확률이 같아 각 방향의 꼬임 구조들이 하나의 원통에 공존하게 된다.

이 상태에서 카이랄성 물질을 첨가하면 첨가된 물질의 꼬임 방향에 춰 액정의 꼬임 방향이 하나로 통일된다.

연구팀은 이 상태에서 카이랄성 물질을 더 첨가하면 액정에 예기치 못한 형태의 위상학적 결함이 생기는 것을 발견했다.

이 결함은 꼬인 방향은 같지만, 회전 각도가 90도와 270도로 다른 구 구조가 만나 생긴 것이다.

그런데 기존 액정 연구에 쓰인 위상수학 이론으로는 90도 회전한 구조와 270도 회전한 구조를 구분하지 못해 결함이 관찰됐음에도 이를 위상수학 언어로 표현할 수 없었다고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 '카이랄 위상 불변 값'을 새롭게 제시해 발견된 결함의 위상학적 형태를 설명하는 데 성공했으며, 카이랄 액정의 특수 탄성 때문에 이 같은 결함이 발생한다는 사실도 밝혀냈다.

제1저자인 은종희 UNIST 물리학과 연구원은 "이번 발견은 액정 연구뿐만 아니라 의학이나 바이오 분야에서 다양한 카이랄 물질에 대한 이해를 높이는 데 도움이 될 것"이라고 말했다.

정준우 교수는 "위상수학으로 물질에 생긴 결함을 이해하게 되면, 물질에 특성 성능을 부여하기 위해 필요한 결함을 인위적으로 설계하는 데 도움이 될 것"이라고 말했다.

이번 연구는 영국 더럼대(Durham University), 브리스톨대(University of Bristol)와 공동으로 이뤄졌으며, 미국국립과학원회보(PNAS)에 17일 자 표지 논문으로 출판됐다.

연구 수행은 과학기술정보통신부·한국연구재단의 연구 과제와 기초과학연구원 첨단연성물질 연구단의 지원을 받아 이뤄졌다.