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일본 이화학연구소(RIKEN)는 물질-재료연구기구(NIMS)와의 공동연구로 나노시트 간의 정전 반발력을 이용하여 구조를 보강한 히드로겔 재료를 개발하였다고 발표하였다.

자기부상열차나 자기베어링과 같은 전자기 반발력을 이용한 장치는 인력만으로 얻을 수 없는 고유의 성질을 가지고 있다. 반면, 세라믹이나 플라스틱과 같은 구조재료 연구는 이러한 반발력보다는 유기고분자와 무기입자를 결합한 하이브리드 재료 등과 같은 구성요소간의 인력을 강화시켜 강도를 높이는 방안이 연구되었다. 하지만 구조재료 중에서도 생체조직에서는 반발력을 이용하여 강도를 높이는 사례를 찾아볼 수 있다. 예를 들어 인간의 무릎관전연골은 구성요소 간의 정전기적 반발력을 이용하여 약 300kg의 하중을 견디며, 연골간의 마찰을 작게(마찰계수 0.001 ~ 0.003) 유지한다. 이처럼 구조재료에서도 반발력을 활용할 수 있다는 점에 착안하여, 공동연구그룹은 반발력을 활용한 신재료를 개발하고자 하였다.

연구진은 고밀도의 전하를 가진 일차원 혹은 이차원의 나노구조체를 상호 평행하게 배향하면, 나노 구조간 작용하는 정전 반발력을 최대화할 수 있을 것이라고 생각했다. ([그림 1]) 이 평행배향을 거시적으로 실현할 수 있게 된다면 ‘계’를 설계하고, 미시적인 역학 특성을 물성의 이방성으로 연결시킬 수 있다. 나노 구조체를 거시적으로 배향하기 위해서는 자장을 추가하는 방법 (자장인가)이 대표적이다. 자장인가는 비접촉 및 비파괴라는 장점이 있지만, 지금까지 연구된 산화물 나노시트에서는 추가 자장을 평행으로 배향하더라도 나노시트가 배향 벡터를 축으로 회전해버려 평행을 유지할 수 없는 문제가 있었다. ([그림 2b]) 연구진은 수중에 분산시킨 산화티탄이 외부 자장에 대해 수직으로 배향한다는 사실을 발견하였다. ([그림 2a]) 이때 나노 시트는 서로 면과 면을 바라보도록 배향을 강제할 수 있으며, 산화티탄의 나노 시트는 고밀도의 부전하를 가지고 있어 나노 시트 사이에 거대한 이방적 정전 반발성을 발생시킬 수 있다. ([그림 1])

이 배향은 자장을 제거하면 시간이 지나면서 소거되지만, 자장 중에서 중합반응이 일어나 배향구조는 화학적으로 고정된다. 나노 시트 분산액에 비닐모노머를 추가하면, 자장인가 하에서 라디칼 중합이 일어나 자장배향 구조를 동정하고, 이를 겔화하면 정전반발력이 내부에서 지지하고 있는 히드로겔 재료를 얻을 수 있었다. ([그림 3]) 이 히드로겔은 종방향의 큰 하중을 견딜 수 있지만, 횡방향으로는 쉽게 변화하지 않는 통상의 재료에서는 실현하지 못한 독특한 기계적 성질을 가지고 있다. 

이 기계적 이방성은 방진 기술에 응용될 수 있다. 예를 들어 수평방향으로 배향한 나노 시트를 포함한 히드로겔 상에 하중을 걸고 지면에서 수평방향으로 진동시키면, 지면의 진동이 히드로겔의 횡방향의 변형에 의해 차단되어 상부의 하중에는 거의 전달되지 않는 우수한 방진 효과를 보인다. 반면, 수직 방향으로 배향된 나노 시트나 랜덤 배향된 나노시트를 포함한 히드로겔에서는 이러한 방진 효과를 찾아볼 수 없다. 이 산화 티탄 나노시트는 히드로겔 전체의 1% 미만으로 포함되어 있음에도 불구하고, 그 배향 방향이 재료의 물성에 큰 영향을 미치는 특징을 가지고 있다. 

기계적 이방성을 실현한 이번 히드로겔 재료는 하중을 견딜 수 있는 강한 재료 혹은 진동을 견딜 수 있는 강한 재료 및 관절연골의 대체 재료 등 여러 가지 응용에 기대된다. 이번 발견은 지금까지 주목하지 않았던 ‘반발력’이 구조재료의 기계적 물성 제어에 유용하다는 것을 보여주며 향후 구조재료 설계에 큰 영향을 미칠 것으로 기대된다.

본 연구의 구체적인 내용은 Nature지(2015.1.1.)에 게재된 논문 "An anisotropic hydrogel with electrostatic repulsion between cofacially aligned nanosheets”에서 찾아볼 수 있다. 

[그림 1] 근접한 산화물 나노시트의 정전 반발력
서로 접근한 산화물 나노시트는 정전 반발력이 있다. 2개의 나노시트 사이의 거리에 고정시키면 반발력은 나노 시트 사이에 2면각에 따라 변한다. 나노시트 사이에 평형(이면각이 0도: 좌)이면 정전반발력이 최대, 수직 (이면각이 90도:우)이면 정전 반발력이 최소가 된다.

[그림 2] 자장에 대해 배향된 나노 시트
자장에 대해 수직으로 배향한 산화 티탄 나노시트 (a: 이번에 공동연구그룹이 발견한 배향) 및 자장에 대해 평행으로 배향한 산화 니오브나노시트(b: 지금까지 보고된 산화물 나노시트의 전형적인 자장배향). (a) 에서는 나노시트 사이에 평행한 배향이 강제되어 있는 것에 반해, (b)에서는 나노 시트의 베향 벡터를 축에 회전가능하다.

[그림 3] 정전 반발력으로 내부에서 지지된 히드로겔 재료
자장인가 하에서 비닐모노머를 라디칼 중합하는 것으로 나노시트의 수중 분산액은 히드로겔로 변환되어, 서로 병행하여 배향되어 있는 나노시트의 구조에 반영구적으로 고정된다. 


KISTI 미리안 글로벌동향브리핑 2015-01-05




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