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폐플라스틱 재활용 높이는 해중합 기술 개발
기존 폐플라스틱을 화학적으로 분해해 재융합하는 해중합의 중요성이 증대하고 있다. 해중합 과정에서 환경 유해 물질을 걸러내 친환경 용기 등을 생산할 수 있기 때문이다. 폐플라스틱의 재활용을 더 가속화할 수 있도록 KAIST 연구진이 해중합 온도를 낮출 수 있는 원리를 발견했다.
우리 대학 화학과 서명은 교수 연구팀이 고분자 자기조립을 활용하여 고분자의 해중합 온도를 낮추는 방법을 개발했다고 24일 밝혔다.
*중합은 간단한 분자 수준의 단량체들이 화학적 반응으로 연결되어 거대한 고분자 사슬을 형성하는 것을 말하며, 해중합은 고분자 사슬을 단량체 수준으로 분해하는 것을 말함.
기존에 고분자를 해중합하여 화학적으로 분해하는 방법은 높은 온도가 필요하여 효율성이 낮았다. 연구팀은 고분자 합성과정에서 자기조립이 일어날 때 해중합 온도가 낮아지는 것을 발견했다. 고분자가 잘 섞이지 않는 용매에서 일어나는 자기조립은 엔트로피*에 반해서 질서를 만들어내는 과정이다. 조그만한 분자 단량체들을 서로 이어 거대한 고분자 사슬을 만드는 합성 과정 또한 질서를 증대하는 반면, 고분자 사슬을 조각내어 원래 단량체로 돌리는 해중합은 무질서해지는 방향을 향한 변화이다. 따라서 연구진은 자기조립이 일어나는 상황에서는 질서와 무질서의 균형을 이루기 위해 중합보다 해중합이 우세해지는 결과를 확인했다. 이를 이용해, 천정온도** 186℃로 알려진 고분자가, 자기조립이 일어나는 선택적 용매에서는 천정온도가 90℃로 감소돼, 보다 낮은 온도에서 해중합을 유도할 수 있었다.
*엔트로피: 무질서해지는 방향으로 변화하는 경향
**천정온도: 중합과 해중합 속도가 균형을 이루는 온도를 말함.
연구팀은 고분자를 합성한 후 온도를 올려 고분자 나노구조체를 구성하는 사슬을 재사용이 가능한 단량체로 분해했다. 다시 온도를 내리면 분해된 단량체는 다시 중합돼 나노구조체를 형성하는 지속가능한 자기조립 체계를 구현했다. 나노구조체의 형상은 사슬의 길이에 따라 달라지기 때문에, 연구팀은 온도를 올리고 내리면 그에 따라 구조체의 모양이 바뀌는 것을 관찰했다. 또한 점도와 같은 물성은 단량체 중에 고분자로 존재하는 비율에 의존하므로, 중합/해중합을 반복하면서 점도를 조절할 수 있는 결과 또한 확인하였다.
연구를 주도한 서명은 교수는 “기존에 고분자를 화학적으로 분해하기 위해서는 높은 온도가 필요하여 어려움이 있었지만 고분자 자기조립을 활용하여 해중합 온도를 낮출 수 있었고 이 원리를 활용하여 폐플라스틱의 재활용을 더 효율적으로 할 수 있을 것으로 기대한다”며 "자연이 단백질들을 붙이고 떼는 중합/해중합 과정을 통해 능동적으로 세포의 모양과 움직임을 조절하는 것처럼, 필요에 따라 물성과 형상을 바꿀 뿐만 아니라 움직임도 가능한 스마트 고분자 소재로 향후 발전시킬 가능성을 탐구하고 싶다ˮ고 소감을 밝혔다.
우리 대학 화학과 남지윤 박사가 제1 저자로, 유창수 석박사통합과정 학생이 공동 저자로 참여해 수행한 연구 결과는 국제학술지 ‘저널 오브 더 아메리칸 케미컬 소사이어티 (Journal of the American Chemical Society)'에 5월 8일 字로 온라인 게재됐다. (논문명 : Polymerization/Depolymerization-Induced Self-Assembly Under Coupled Equilibria of Polymerization with Self-Assembly)
한편 이번 연구는 한국연구재단(NRF)의 지원을 받아 진행됐다.
2024.05.24 조회수 3549 -
무질서로부터 질서를 생성하는 원리 제시
우리 대학 화학과 서명은 교수 연구팀이 물에 녹는 부분과 녹지 않는 부분이 무작위로 섞여 있는 고분자가 물에서 처음 보는 규칙적 구조를 만드는 것을 발견하고, 무질서로부터 질서가 출현할 수 있는 새로운 원리를 제시했다고 11일 밝혔다.
동전을 던져서 앞면과 뒷면이 나올 확률이 똑같다면, 아주 많이 동전을 던졌을 때 앞면이 나온 경우는 전체 중 반에 가까울 것이다. 그렇다고 해서 앞면만 연달아 나올 확률이 없는 것은 아니다. 사실 이 확률은 앞면과 뒷면이 번갈아 가며 나올 확률과 정확히 똑같다. 동전을 여러 번 던질수록 앞뒷면이 나오는 순서의 가짓수는 기하급수적으로 증가하는데(60차례 던지면 1018=100경 가지보다 많은 서열이 생겨난다), 이 서열을 보고 무작위한 과정을 통해 만들어졌는지 판별하기는 생각보다 어렵다. 반대로 온전히 무작위로 난수를 만드는 방법은 전산과학과 보안 등에서 중요한 문제다.
서명은 교수 연구팀은 무작위한 서열 사이의 짝맞추기 문제에 주목했다. 물에 녹는 부분과 녹지 않는 부분을 무작위하게 도입해서 고분자를 만들면 마치 비누에 들어있는 계면활성제나 세포막 이중 층을 이루는 지질처럼 양친매성을 띠어, 물에 넣으면 물에 녹지 않는 지용성 부분끼리 뭉치고 이를 물에 녹는 수용성 부분이 감싸는 형태로 저절로 조립된다. 이때 각 사슬의 서열은 모두 다르므로, 두 사슬이 서로 만나 지용성 부분끼리 뭉칠 때 정확히 들어맞는 짝은 그 수많은 사슬 중 한 쌍밖에 없다.
연구팀은 이 고분자를 고농도로 물에 녹이면 세포막에서 관찰되는 것과 같은 이중 층들이 반복적으로 접히면서 켜켜이 쌓이는 새로운 판상 구조를 만드는 것을 발견했다. 세포는 필요에 따라 세포막을 접어 골지체와 같은 구조를 만들지만, 이중 층 구조 자체를 안정하게 규칙적으로 접을 수 있다는 것은 처음 밝혀지는 것이다. 무작위한 서열에서는 지용성 부분이 몰려 있는 구간이 상당히 큰 확률로 발생하기 때문에, 연구진은 사슬들이 만날 때 필연적으로 짝이 맞지 않는 부분들이 생겨 평평한 판상 구조가 접히는 것으로 이 현상을 설명했다.
연구진은 "흔히 무질서하다고 간주되는 무작위 서열 속에서 어떻게 질서가 태동할 수 있는지 하나의 가능성을 엿볼 수 있었다ˮ며, "무작위성에 대한 이해를 토대로 물리적 복제방지기술(PUF)로 응용함과 아울러 구조적인 특성을 활용하여 인공 근육 등에 쓸 수 있는 나노 연성 구조 소재로 확장할 가능성을 향후 연구하고 싶다ˮ고 소감을 밝혔다.
우리 대학 화학과 신민중 석박사통합과정 학생이 제1 저자로 연구를 주도하고 포항가속기연구소 안형주 박사, 우리 대학 화학과 윤동기 교수 연구팀, GIST 이은지 교수 연구팀이 협업한 이번 연구 결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 5월 4일 字로 온라인 게재됐다. (논문명 : Bilayer-folded Lamellar Mesophase Induced by Random Polymer Sequence)
한편 이번 연구는 한국연구재단(NRF)의 보호연구사업과 선도연구센터지원사업(멀티스케일 카이랄 구조체 연구센터), KAIST의 그랜드 챌린지 30 프로젝트의 지원을 받아 진행됐다.
2022.05.11 조회수 7572 -
빛에 담긴 비대칭성을 증폭하는 카이랄 초분자 형성원리 규명
우리 대학 화학과 서명은 교수를 주축으로 한 연구팀이 분자 자기조립 시스템에 대한 연구를 통해 빛으로부터 *초분자 나선 방향이 결정되는 원리를 규명했다고 16일 밝혔다.
☞초분자(supermolecule): 분자 간 결합 또는 인력을 통해 둘 또는 그 이상의 작은 분자들이 모여 생성된 거대한 분자들의 집합을 말한다. 효소 등 기능성 생체 분자들도 초분자로 볼 수 있다.
단백질을 이루는 아미노산 분자는 오른손과 왼손처럼 모양은 같지만 서로 겹칠 수 없는 거울상이 존재할 수 있다. 그러나 지구상에서 탄생한 생명은 한 종류의 거울상 아미노산만을 선택해 단일한 *카이랄성을 띠게끔 진화했다. 아미노산에 담긴 카이랄 정보가 단백질로 전달되면 한쪽으로 꼬인 나선과 같이 분자를 넘어선 초분자 수준에서 증폭돼 나타나며, 이는 단일 카이랄성이 만들어지는 데 중요했을 것으로 여겨진다. 즉, 어떻게 카이랄성이 탄생하고 증폭됐는지는 자연이 단일 카이랄성을 지니게 된 이유와 연관 지을 수 있어, 생명의 기원과 깊게 관련된 문제다.
☞ 카이랄(Chiral): 수학, 화학, 물리학, 생물학 등 다양한 과학 분야에서 비대칭성을 가리키는 용어중 하나다. 이는 어떤 대상의 모양이 거울에 비춘 모양과 일치되지 않을 때 카이랄 성이 존재한다고 일컫는다. (Ex) 오른손 & 왼손)
태초에 같은 양씩 존재했을 거울상 분자 한 쌍 중에 한쪽의 비율이 높아질 수 있는 원인으로 시계 방향 혹은 반대로 회전하면서 나아가는 빛인 원편광이 흔히 거론되는데, 거울상 분자가 원편광을 흡수하는 정도가 서로 다르기 때문이다. 자연적으로 지구에 내리쬐는 원편광은 그 회전 방향이 무작위할 것이므로 분자와 원편광에 담긴 카이랄 정보가 서로 경쟁하는 가운데 어느 순간 한쪽 거울상이 과잉되면서 단일한 카이랄성이 출현했을 것으로 추론할 수 있으나, 분자와 원편광으로부터 카이랄 정보가 동시에 전달될 때 어떤 현상이 일어나는지는 거의 연구된 바 없었다.
우리 대학 서명은 교수 연구팀은 빛에 반응해 자기조립되는 프로펠러 모양의 분자를 찾고, 분자와 빛에 담긴 카이랄 정보가 전달돼 초분자 나선으로 나타날 때 각각 얼마나 효과적인지 연구했다. 먼저 원편광의 회전 방향과 분자 프로펠러 방향이 맞을 때 광화학 반응이 우세하게 일어나고, 이는 자기조립을 유도해 정해진 나선 방향으로 성장함을 밝혔다.
나아가 한쪽 거울상 분자가 과잉된 조건에서 원편광을 쬐어 나선 방향이 어느 쪽을 따라가는지 살핀 결과, 양자의 정보가 일치할 때 초분자 카이랄성이 증폭되고 반대일 때 상쇄되며, 심지어 빛으로 분자 카이랄 정보를 눌러 나선 방향을 반전할 수 있음을 정량적으로 보였다. 또한 일정 비율 이상의 거울상 분자가 축적되면 빛과 관계없이 단일한 나선 방향이 유지되는 것 역시 확인했다.
원편광을 선택적으로 걸러내는 소재는 현재 OLED, 3D 안경 등 디스플레이에 널리 쓰이고 있고, 원편광을 내는 재료 등은 차세대 디스플레이용 소재로 떠오르고 있다. 초분자 나선 구조는 개개의 분자에 비해 원편광을 훨씬 효과적으로 흡수하고 방출할 수 있다. 따라서 초분자 나선 구조를 한번 더 조립하여 분자-초분자-거시적 스케일에서 모두 카이랄성을 띠는 멀티스케일 카이랄 구조체를 구현한다면 카이랄성을 극도로 증폭할 수 있는 소재를 만들 수 있을 것으로 기대된다. 또한 약물로 쓰이는 화합물은 탈리도마이드처럼 반대 거울상 분자가 기형을 유발하는 등의 부작용을 일으킬 수 있는 만큼, 한쪽 카이랄성만을 가지게끔 합성하는 것이 필수적이다. 멀티스케일 카이랄 구조체는 이러한 비대칭 합성에서도 강력한 카이랄 환경을 제공하여 입체 선택성이 높은 촉매를 제조하거나, 거울상 분자를 효과적으로 검출할 수 있는 센서를 만드는 플랫폼이 될 수 있다.
연구진은 "이번 연구를 통해 빛에 담긴 비대칭성이 어떻게 분자 및 초분자 수준으로 전달되고 증폭될 수 있는지를 이해할 수 있었을 뿐 아니라, 분자에 담긴 정보와 별개로 초분자 카이랄성을 제어할 수 있는 가능성을 보였다는 데 큰 의의가 있다ˮ며, "이번 연구를 발판으로 카이랄 광학 소재, 비대칭 촉매 등 미래 먹거리가 될 수 있는 멀티스케일 카이랄 신소재 개발로 연구를 확장하겠다ˮ고 소감을 밝혔다.
우리 대학 화학과 강준수 석박사통합과정 학생이 제1 저자로 연구를 주도하고, 화학과 김우연 교수, 임미희 교수, 윤동기 교수 연구팀이 협업한 이번 연구 결과는 미국화학회가 발행하는 국제 학술지 `미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)'에 2월 4일 字로 온라인 게재됐다. (논문명 : Circularly Polarized Light Can Override and Amplify Asymmetry in Supramolecular Helices)
이번 연구는 한국연구재단(NRF)에서 선정한 선도연구센터인 카이스트 화학과 멀티스케일 카이랄 구조체 연구센터의 지원을 받아 주로 진행됐다.
2022.02.16 조회수 10674 -
빛 이용 나선형 구조체 방향조절 기술 개발
김 상 율 교수
우리 대학 화학과 김상율 교수, 서명은 교수 연구팀이 빛의 파동을 이용해 특정한 방향으로 꼬인 나선형 나노 구조체를 형성하는 데 성공했다.
연구 결과는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications) 23일자 온라인 판에 게재됐다.
키랄성이란 오른손과 왼손처럼 모양은 같지만 서로 거울에 비친 형태를 가지는 물질을 말한다. 키랄성 물질은 돌리고 방향을 바꾸어도 서로 겹칠 수 없는 구조적 특성을 갖는다. 자연에 존재하는 DNA나 단백질 등을 구성하는 분자들은 이 중 한쪽 형태로만 이루어져 있다.
다량의 특정 키랄성 물질이 자연계에 존재하는 이유는 명백히 밝혀지지 않았다. 한 가지 가설은 유기 물질이 처음 생성될 시점에 우주로부터 나선을 따라 진동하는 빛의 파동인 원편광이 쬐어져, 원편광의 나선 방향이 유기 물질에 전달되어 한쪽 키랄성을 갖는 분자가 보다 많이 만들어 지게 됐다는 것이다.
연구팀은 이 가설에 입각해 원편광의 키랄성이 비키랄성 분자에 전달 및 증폭이 가능한지 알아보기 위해 빛에 반응하는 비키랄성 분자를 이용했다.
그리고 비키랄성 분자에 오른원편광, 왼원편광을 따로 노출시켜 분자들이 원편광의 방향에 따라 다른 방향의 나선을 그리며 쌓이는 것을 확인했다. 기존의 방법으로 나선형 구조체를 만들 때 반드시 키랄성 분자가 필요했던 것을 뒤집는 결과가 나온 것이다.
이처럼 단순히 특정 방향의 원편광을 비추는 것만으로 원하는 방향의 나선형 구조체를 만들 수 있고, 다시 반대 방향의 원편광을 비추면 나선의 방향을 뒤집는 것 또한 가능하다는 것을 증명했다.
뿐만 아니라 광중합을 이용해 나선형 구조체를 굳히는 방법을 개발해 구조체의 제작부터 방향을 고정시키는 전 과정을 빛을 이용해 제어하는 데 성공했다.
김상율 교수는 “원평광의 방향에 따라 비키랄성 분자의 자기조립 경로가 좌우되고, 자기조립을 통해 키랄성이 증폭되므로 결국 원편광의 방향이 나선 방향을 결정할 수 있다는 것이다”며 “키랄성의 기원에 대해 흥미로운 가능성을 제시하고 있다”고 말했다.
연구팀은 키랄성 센서를 만들거나 키랄성 분자를 분리하는 등의 응용 분야에 개발된 나선형 나노 구조체가 유용하게 사용될 것으로 전망했다.
한국연구재단 중견연구자 지원사업과 선도연구센터 육성사업의 지원을 받아 진행된 이번 연구는 김상율 교수와 서명은 교수가 교신 저자로, 김지성 학생이 제1저자로 참여했다.
□ 그림 설명
그림1. 빛에 의해 형성된 나노 구조체의 주사전자현미경 사진
그림2. 전체 실험과정 모식도
2015.04.30 조회수 10417 -
흡착이 빠르게 일어나는 다공성 고분자 물질 개발
우리 학교 나노과학기술대학원 서명은 교수 연구팀이 10나노미터 수준의 세공이 그물처럼 연결된 다공성 고분자 물질 내에 2나노미터보다 작은 미세 세공을 형성하는 방법을 개발함으로써 흡착이 빠르게 일어나는 새로운 다공성 고분자 물질을 만드는데 성공했다.
제올라이트와 같이 2나노미터보다 작은 미세 세공을 지니는 다공성 물질은 표면적이 매우 넓기 때문에 수소와 같은 분자를 흡착하여 보관하는 저장 물질이나 표면에서 반응을 일으켜 원하는 물질로 전환할 수 있는 촉매 지지체로 사용된다. 그러나 분자가 지나가는 길에 해당하는 세공 크기가 작다 보니 물질이 세공 안으로 확산하여 표면에 닿기까지 시간이 오래 걸리는 문제가 있었다.
우리 몸의 폐나 식물의 잎맥 등은 이러한 문제를 극복하기 위해서 마치 나뭇가지처럼 세공이 세분되면서 분자가 기관 전체로 잘 퍼질 수 있는 구조를 하고 있는데, 이러한 구조를 구현하기 위해서는 미세 세공뿐만이 아니라 그보다 더 큰 크기의 세공을 동시에 잘 구현할 수 있는 기술이 필요했다.
연구팀은 서명은 교수가 개발한 10나노미터 수준의 세공(메조 세공)이 3차원적으로 서로 연결된 그물 형태의 나노구조를 손쉽게 만들 수 있는 블록 공중합체 자기 조립 방법을 사용하여 이 문제를 해결하였다.
연구팀은 블록 공중합체 자기조립 방법과 함께 고분자 사슬을 움직이지 못하도록 화학 결합으로 묶어서 사슬 사이의 틈을 미세 세공으로 바꾸는 고분자 반응 방법(“초가교반응”(hypercrosslinking reaction))을 사용하여 크기가 서로 다른 두 종류의 세공이 존재하는 계층적 세공 구조의 다공성 고분자 물질을 만드는 데 성공하였다.
이 다공성 고분자 물질은 10나노미터 수준의 메조 세공이 3차원 그물상 구조를 이루는 가운데 메조 세공의 벽에는 2나노미터보다 작은 미세 세공이 가득한 구조로 이루어져 있으며, 블록 공중합체 자기 조립 방법을 사용한 만큼 메조 세공의 크기를 6-15나노미터 사이에서 정밀하게 조절할 수 있다.
이는 다공성 고분자 물질로 구조가 잘 정의된 메조 세공과 미세 세공을 동시에 구현한 최초의 사례이다. 연구팀은 이 다공성 고분자 물질이 미세 세공만을 지니는 고분자 물질보다 질소를 빠르게 흡착하는 것을 확인함으로써 계층적 세공 구조가 흡착에 미치는 영향을 입증하였다.
서명은 교수는 “이번 연구결과는 마치 고속도로와 골목길처럼 서로 다른 크기의 세공을 한 고분자 내에 쉽게 구현할 수 있는 방법을 제시한 데에 의의가 있다”며 이와 같은 다공성 고분자 물질은 물질이 빠르게 확산하는 것이 중요한 반응의 촉매 지지체나 물질 포집용으로 의미 있게 활용될 수 있을 것으로 전망했다.
이번 연구는 서명은 교수가 제1저자 및 교신저자로 연구를 주도한 가운데 서명은 교수가 지도하는 나노과학기술대학원 학생들과 미국 미네소타 주립대 힐마이어 교수가 연구에 참여하였으며, 한국연구재단 신진연구자 지원사업의 지원을 받았다. 연구 성과는 화학 분야의 권위지인 ‘미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)’ 8일자 온라인판에 실렸다. 끝.
그림1. 물상 구조의 메조 세공과 메조 세공의 벽에 분포하는 미세 세공을 지니는 계층적 세공구조 다공성 고분자 물질의 도식도와 주사전자현미경 사진
그림2. 메조 세공을 지니는 다공성 고분자 물질(왼쪽)과 본 연구에서 개발한 메조 세공과 미세 세공을 동시에 지니는 계층적 세공구조 다공성 고분자 물질(오른쪽)의 차이
2015.01.08 조회수 14435