요약
큰 결정을 기존보다 10배 이상 빨리 성장시키는 결정화(Crystallization) 방법이 등장했습니다. '이온성 고분자 가 포함된 용액(Polyionic Liquid)'에서 '흔들림'이 성장하는 결정에 충격(mechanical disturbance)을 주어 결정화를 촉진함을 발견하고 그 원인을 규명했는데요. 향후 신약개발이나 화학 공정에 적용되면 기존 연구의 효율성을 높일 수 있을 것으로 기대됩니다.
신약개발이나 첨단 신소재 연구에는 '후보물질의 특성을 꼼꼼히 파악하는 일'이 가장 중요한데요. 각 물질의 특성을 분석하려면 이들을 순도 높은, 크기가 큰 '결정(Crystal)' 으로 만듭니다. 결정(Crystal)은 규칙적 형태를 지낸 고체를 말하는데요. 우리가 매일 먹는 소금도 '결정'의 일종입니다. 액체 상태에서 결정이 석출되는 것을 결정화(Crystallization)라 합니다.
최근 <Nature>에는 큰 결정을 기존보다 10배 이상 빨리 성장시키는 '결정화(Crystallization)' 방법이 소개됐습니다. UNIST 자연과학부의 바르토슈 그쥐보프스키 특훈교수(IBS 첨단연성물질 연구단 그룹리더)가 이끄는 국제공동연구팀은 '이온성 고분자 가 포함된 용액(Polyionic Liquid)'에서 '흔들림'이 성장하는 결정에 충격(mechanical disturbance)을 주어 결정화를 촉진함을 발견하고 그 원인을 규명했습니다. 참고로 이온성 고분자(Ionic polymer)는 고분자의 사슬에 이온성 작용기를 가진 고분자를 지칭합니다. 용액 속 물질이 결정화할 때 외부 충격을 적게 받을수록 큰 결정이 만들어진다고 알려졌는데요. 이러한 상식을 정면으로 뒤집은 겁니다.
결정화, 왜 빨라진 걸까
결정화는 먼저 결정 씨앗(핵)이 만들어지고 그 씨앗이 점점 성장하면서 진행됩니다. 큰 결정을 빠르게 얻기 위해서는 성장 중에 큰 결정이 더 크게 뭉쳐지는 '오스트발트 숙성(Ostwald ripening)'이 잘 일어나야 합니다. 이 경우 외부에서 가해지는 충격은 작은 결정을 여러 개 만들기 때문에 큰 결정의 성장을 방해한다고 알려졌습니다.
오스트발트 숙성(Ostwald ripening)
에멀젼 형태로 녹아 있는 입자들이 결정으로 성장하는 원리로써 입자의 크기가 다양한 경우 크기가 상대적으로 작은 입자는 계속해서 작아지고 큰 입자는 점점 커져서 결국 작은 입자가 소멸해 버리는 현상을 말합니다. 작은 입자의 경우 입자의 크기에 비해 표면적이 넓어 표면 에너지가 크고 이를 감소시키기 위해서 큰 입자로 흡수됩니다.
그런데 바르토슈 그쥐보프스키 교수팀은 이온성 고분자가 녹아 있는 용액에서는 이런 통념과 반대되는 현상을 발견했습니다. 용액 속에서 소용돌이 같은 흐름(Shear flow)이 생겨 충격을 주자 오히려 결정화가 빨라진 건데요. 연구팀은 이 현상이 '이온성 고분자가 결정으로 만들 물질 대신 용매(solvent)를 흡착하기 때문'이라는 가설을 세웠습니다.
그쥐보프스키 교수는 "결정의 성장은 목표로 삼은 물질만 남기고 용매를 제거하는 과정이라고 볼 수 있다"며 "이온성 고분자가 포함된 용액에 흔들림을 주면, 회전력이 나타나 뭉쳤던 고분자를 펴면서 고분자 사슬이 용매를 더 잘 흡착한다고 봤다"며 결정화가 촉진되는 이유를 설명했습니다.
고분자 든 용액에 회전력 가했더니
연구팀은 이 가설을 검증하기 위해 이온성 고분자를 포함한 용액에 회전력을 가하면서 결정화하는 실험을 진행했습니다. 실험 결과, 이 방법은 기존보다 최소 10배 이상 빨리 결정이 자랐으며, 성장속도는 회전속도와 고분자의 길이에 비례했습니다. 참고로 고분자는 용액 속에서 마치 실타래처럼 엉킨 상태(entangled)로 존재합니다. 회전력을 받으면 실타래처럼 엉켰던 고분자가 풀어지면서(전단박화) 표면에 붙는 용매 입자의 수가 많아집니다. 따라서 결정화 속도가 빨라질 수 있다. 회전속도가 빠르면 회전력이 커 고분자가 더 잘 풀어지므로 결정화 속도가 빠르고, 고분자가 길이도 같은 원리로 설명할 수 있습니다.
이번 연구에서는 20개의 유・무기물질과 단백질 등의 결정화를 시도했는데, 새로운 방식을 쓰자 용매의 종류와 상관없이 결정 성장이 촉진됐다. 기존의 오스트발트 숙성이 아닌 새로운 물리적인 현상에 의해 결정화가 촉진되는 방법으로 학계에서 주목받고 있습니다.
오스트발트 숙성의 경우 용액의 점도(Viscosity)가 낮고 용해도(Solubility)가 높을수록 빨라지는데 이 실험에서는 오히려 반대의 현상(고분자 사슬의 길이 비례, 즉 점도에 비례하고 용해도에 반비례함)이 나타났습니다. 또한 타겟물질(결정화 하려는 물질), 용매의 종류에 상관없이(화학적 성질에 상관없이) 동일한 현상이 나타났는데 이는 이번에 발견된 현상이 오스트발트 숙성이 아닌 ‘새로운 물리적 현상’임을 보여줍니다.
그쥐보프스키 교수는 "새로운 결정화 방법은 추가 연구를 거쳐 향후 신약개발이나 화학 공정에 적용되면 기존 연구의 효율성을 높일 수 있을 것"이라고 기대했습니다. 그는 이어 "이번 연구는 유체역학과 고분자 화학, 결정학 등을 망라한 융합 연구"라며 "가설 증명 과정이 새로운 법칙으로 확립된다면 학제 간 융합 연구의 모범사례가 될 것"이라고 덧붙였다.
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