문어처럼 모양·색 변하는 마이크로 입자 개발
문어처럼 모양·색 변하는 마이크로 입자 개발
  • 강지희
  • 승인 2019.09.15 22:40
  • 조회수 2201
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외부의 환경 변화에 반응해 스스로 모양이 변하는 스마트 입자는 디스플레이용 광결정 물질이나 광화학 센서, 코팅 필름 등 다양한 분야에서 차세대 소재로 활발하게 연구 중입니다. 과학자들은 스마트 입자 연구를 다양한 외부 자극을 통해 입자의 모양에 따른 특성(광학적, 유변학적 특성 및 세포와의 상호작용 등)을 조절하는 것을 최우선 목표로 진행하는데요.

 

기존의 스마트 입자들은 주로 생물학적 응용을 위해 pH, 온도, 생체분자와 같은 물리화학적인 자극들에 감응할 수 있도록 제작했습니다. 하지만 이런 물리화학적 자극들은 해상도가 낮아 국소 부위에 자극을 주기 어렵고 자극 스위치를 선명하게 켜고 끄기 어려운 게 단점입니다.

 

그에 비해 빛은 선택적인 부분에 원하는 시간 만큼 매우 효과적으로 자극을 줄 수 있습니다. 국소적인 부분에만 입자의 모양을 변형시킵니다. 뿐만 아니라 빛은 파장과 세기를 정밀하게 조절하기 때문에 잘 활용하면 선택적, 순차적으로 입자의 모양을 변형시킬 수 있는 가능성을 지니고 있죠. 하지만 현재까지 빛에 감응할 수 있는 스마트 입자의 연구는 제한적이었는데요.

<em>문어.&nbsp; 출처: 포토리아</em><br>
깜짝!. 출처: fotolia

이에 한국연구재단은 김범준 교수 연구팀이 빛에 반응해 문어처럼 모양과 색을 자유자재로 바꿀 수 있는 스마트 마이크로 입자 제작 기술을 개발했다고 밝혔습니다. 연구팀의 연구는 <Journal of the American Chemical Society>에 게재됐습니다. 

 

어떻게 개발했는가

빛에 반응하는 계면활성제를 이용해 개발된 스마트 블록공중합체 입자 (전자현미경 이미지). 출처: 한국연구재단 

연구팀은 특정 파장의 빛에 감응해 계면 특성이 변하는 성질을 가진 계면활성제를 만들었습니다. 연구팀은 계면활성제와 빛을 이용해 스스로 모양과 색이 달라지는 폴리(스타이렌-블록-2-바이닐피리딘) (PS-b-P2VP) 블록공중합체 마이크로입자를 개발했습니다. 

 

연구팀은 개발한 마이크로입자를 시험해봤습니다. 빛에 의해 분자 구조가 변형될 수 있는 작용기(나이트로벤질에스터 또는 쿠마린에스터)로 이루어진 계면활성제는 빛을 조사하는 시간에 따라 계면 특성(친수성/소수성)이 정량적으로 조절됐습니다. 특히 이러한 계면활성제를 통해 만들어진 PS-b-P2VP 입자는 빛에 의해 구형(0시간)에서 타원체 형태의 비구형 입자(1시간)으로 변형하고, 다시 구형(2시간)으로 변형했습니다.

 연구진이 개발한 스마트 고분자 입자 이미지. 출처: 한국연구재단

본 연구에서 사용한 두 가지 계면활성제는 각각 254nm (나이트로벤질에스터) 와 420nm (쿠마린에스터) 파장의 빛에 선택적으로 계면 특성이 조절됐습니다. 따라서 두 계면활성제를 적절한 비율로 혼합해 제조한 입자는 빛의 파장에 선택적인 모양 변화를 보였습니다. 예를 들면 254nm 파장의 빛은 구형의 입자를 타원체의 입자로 변형했습니다. 420nm 파장의 빛은 타원체의 입자를 다시 구형의 입자로 변형시킬 수 있었습니다.

 

계면활성제의 분자 구조의 변형은 입자의 모양을 조절할 뿐만 아니라 입자의 색도 조절합니다. 본 연구에서 사용한 쿠마린에스터 기반의 계면활성제는 빛에 의한 광학 특성 변화를 보였는데요. 덕분에 연구팀은 마이크로입자의 모양 변화를 동시에 색변화로 확인할 수 있었습니다. 또한 연구팀이 개발한  개발된 입자는 마이크로단위의 국소 부위에서 모양 변화를 나타냅니다. 때문에 입자는 100μm 크기의 패턴화된 포토마스크를 통해 선택적인 부분에서만 입자의 모양 및 색 변화가 가능했습니다. 

 

기대 효과는?

 

본 연구는 빛에 반응해 스스로 입자의 모양과 색을 바꾸는 스마트 고분자 입자를 구현한 매우 혁신적인 시도입니다. 빛의 시간 및 파장에 따라 매우 국소적인 부위에서 선택적으로 입자의 모양과 색을 조절할 수 있기 때문에 스마트 입자의 실질적인 적용 가능성을 제시할 수 있을 것으로 기대됩니다. 아주 작은 입자의 모양이나 색을 원하는 대로 가공(fabrication)할 수 있게 되면 군용장비의 위장막(artificial camouflage), 병든 세포만 표적하는 약물전달캡슐, 투명도 및 색이 변하는 스마트 윈도우나 건물외장 인테리어 등에 활용할 수 있습니다.

김범준 교수. 출처: 한국연구재단
김범준 교수. 출처: 한국연구재단

김범준 교수는 "빛을 이용해 모양과 색이 조절되는 스마트 입자 제작 플랫폼을 개발해 빛을 신호로 국소부위 입자의 성질을 정밀하게 조절할 수 있어 스마트 디스플레이, 센서, 도료, 약물전달 등에 응용될 수 있을 것으로 기대된다"고 밝혔습니다.

 

##참고자료##

 


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