화학공학과 박범준 교수 연구팀, 오일 액적 속 콜로이드 입자 질서 형성 원리 규명
연구 우수성 인정받아 Featured article로 선정

화학공학과 박범준 교수 연구팀이 미세유체 장치를 활용해 알지네이트(alginate) 하이드로겔 입자가 포함된 오일 액적(미세한 기름방울)을 정밀하게 제작하고, 그 내부에서 발생하는 콜로이드 입자의 자발적 질서 형성(ordering) 현상을 규명했다. 연구 결과는 국제 저명 학술지 『Nature Communications(IF=15.7)』에 3월 9일 게재됐으며, 우수성을 인정받아 저널 에디터가 선정하는 ‘Inorganic and Physical Chemistry’ 분야의 특집(Featured article)으로도 소개됐다.

시간에 따라 변화하는 전기적 상호작용으로 콜로이드 입자 구조 전이

이번 연구는 오일 액적이라는 제한된 공간 안에서 콜로이드 입자들이 시간이 지나며 무질서한 상태에서 육각형 결정 구조로 전이하는 과정을 실시간으로 관찰하고 정량적으로 분석한 데 의미가 있다. 박범준 교수 연구팀은 이 과정이 시간에 따라 변화하는 전기적 상호작용에 의해 나타난다는 점을 알아냈다.

특히 장거리 전기적 반발 상호작용(long-range electrostatic repulsive interaction)이 열적 요동(thermal fluctuation)을 압도할 때 질서 형성이 나타난다는 점을 확인했는데 이는 전자계에서 알려진 위그너 결정(Wigner crystal, 전자가 낮은 밀도에서 상호간의 쿨롱 반발로 인해 결정 격차를 이루며 규칙적인 배열을 형성하는 상태)과 개념적으로 유사한 측면을 보인다. 평형 상태에서의 구조 형성에 집중해 온 기존 연구와 달리 이번 연구는 비평형 조건에서의 질서 형성 메커니즘을 규명할 수 있는 새로운 실험 플랫폼을 제시했다.

연구팀은 미세유체 장치를 이용해 수십 마이크로미터 크기의 오일 액적 내부에 알지네이트 입자를 정밀하게 캡슐화하고, 외부 수용액으로부터 이온이 확산하도록 설계했다. 이를 통해 시간이 지남에 따라 전기적 반발력이 강화되며 입자 간 간격이 증가하고, 구조가 정렬되는 현상을 확인했다. 초기에 무질서 상태였던 입자들이 일정 임계 조건을 넘으면 육각형 격자 구조로 전이됐다.

“다양한 복잡계 물질 연구로 확장할 것”

실험 결과는 브라운 운동(Brownian dynamics) 기반 시뮬레이션을 활용해 해석됐으며, 이를 통해 콜로이드 상호작용의 핵심 물리량을 도출했다. 특히 이번 연구를 통해 외부 자극으로 구조가 일시적으로 변화한 뒤 다시 회복되는 가역적 특성이 확인됨에 따라 동적으로 구조를 조절할 수 있는 콜로이드 시스템 연구로도 확장될 전망이다.

박범준 교수 연구팀은 이번 성과를 통해 비평형 연성물질 시스템에서 질서가 형성되는 근본 원리를 탐구할 수 있는 모델 시스템을 확립했다. 또한 미세유체 기술을 활용한 정밀한 구조 형성과 제어 가능성을 제시하며, 다양한 콜로이드 및 하이드로겔 시스템 연구로 확장할 기반을 마련했다.

박범준 교수는 “시간에 따라 상호작용이 변화하는 비평형 환경에서 콜로이드 입자들이 어떻게 질서를 형성하는지를 실시간으로 관찰하고 정량적으로 분석했다. 복잡계 물질에서의 상호작용과 구조 관계를 높여 향후 다양한 복잡계 물질 연구로 확장할 계획”이라고 말했다.