광주과학기술원(GIST)이 고분자 나노구조가 용액 속에서 스스로 조립돼 진화하는 과정을 세계 최초로 실시간 관찰하고, 이론으로만 존재했던 핵심 가설을 실험으로 입증했다.

GIST는 신소재공학과 이은지 교수팀이 결정성을 지닌 블록 공중합체가 용액 속에서 마이셀(micelle)→실린더(cylinder)→토로이드(toroid)→베지클(vesicle)로 진화하는 전 과정을 실시간 액상 투과전자현미경(LP-TEM)과 초저온 전자현미경(cryo-TEM)을 통해 정밀하게 포착하고, 고분자 결정화 유도 자기조립의 핵심 원리를 실험적으로 규명했다고 26일 밝혔다.

이번 연구는 고분자 물질의 구조 형성과정을 설명하는 ‘스케일링 이론(Scaling theory)’의 핵심 가정을 실험으로 세계 최초 입증한 사례다. 나노소재 설계 기반을 과학적으로 정립했다는 점에서 학술적 의의가 크다는 평가다.

연구팀은 생분해성 생채적합 고분자인 PEO-b-PCL을 활용해, 블록 구성비와 분자량에 따른 자기조립 과정을 실시간 관찰하고 영상 데이터를 정량 분석했다. 그 결과, 결정성 블록이 에너지를 최소화하기 위해 낮은 곡률(더 평평한 계면)을 선호한다는 가정을 실험적으로 입증했으며, 이 과정에서 나타나는 나노구조 진화가 단순한 확산이 아닌 입자 간 상호작용에 따른 ‘비정상 확산(anomalous diffusion)’ 패턴을 따른다는 점도 밝혀냈다.

특히, 이번 연구는 도넛형 토로이드 구조가 기존 알려진 실린더 전이 과정이 아닌, 구형 마이셀에서 직접 도넛 구조로 진화하는 새로운 비평형(non-equilibrium) 경로를 따라 형성된다는 점을 확인했다. 이는 지금까지 고분자 조립과정에서 관찰되지 않았던 현상으로, 기능성 나노구조 설계에 새로운 방향을 제시할 수 있을 것으로 보인다.

이은지 교수는 “이번 연구는 고분자 자기조립이 어떻게 일어나고 구조가 어떻게 진화하는지를 실시간으로 추적하고 정량 분석했다는 점에서 의미가 크다”며 “향후 유기전자, 바이오센서, 약물전달체 등 고성능 기능성 소재 개발에 실질적인 설계 기반을 제공할 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 이은지 교수 지도 아래 황준호 박사과정생(제1저자)·윤준연 박사과정생(공동저자)이 수행했으며, 연구 결과는 Cell Press에서 발행하는 국제학술지 ‘Matter’에 5월 12일 온라인 게재됐다.