일본 리켄 신생물질 과학센터(RIKEN Center for Emergent Matter Science), NIST(National Institute of Material Science), 도쿄 대학(University of Tokyo)의 연구진은 인력(引力)이 아니라 정전기적 척력(斥力)에 의해서 특성이 결정되는 새로운 하이드로겔(hydrogel)을 개발했다.
이번 연구팀에 따르면, 이 연구는 우연한 발견으로부터 시작되었다. 티탄산염(titanate) 나노-시트가 액체 콜로이드 현탄액 속에 분산될 때, 강한 자기장을 인가하면 평면-대-평면(face-to-face)으로 스스로 정렬된다. 이런 자기장은 그들 사이의 정전기적 척력을 최대화시키고, 준-결정질 구조가 되게 한다. 즉, 새로운 하이드로겔은 평면-대-평면으로 스스로 유도되고, 그들 사이에 정전기력을 가하면 분리된다.
이 새로운 재료를 만들기 위해서, 이번 연구진은 평면 속에 시트의 층을 정렬시키는 새로운 방법을 사용했다. 시트가 평면으로 정렬되면, 광-촉진된 in-situ 비닐 중합(light-triggered in-situ vinyl polymerization)이라고 불리는 방법을 사용해서 하이드로겔 속의 분산 방법을 변화시킴으로써 자기적으로 유도된 구조적 정렬을 고정시켰다. 광 펄스는 액체를 하이드로겔로 엉기게 하기 위해서 사용된다. 그러면 시트는 더 이상 움직일 수 없게 된다.
이것을 수행함으로써, 이번 연구진은 정전기적 척력으로 특성들이 지배되는 새로운 재료를 만들었다. 정전기적 척력은 반데그라프 발전기(van der Graaf generator)를 터치할 때 머리카락 끝에서 발생하는 것과 동일한 힘이다.
지금까지, 인공 재료들은 이런 현상을 활용하지 못했지만 자연은 이것을 이용하고 있다. 연골은 높은 압력 하에서도 정전기력을 이용해서 관절 내의 거의 마찰이 없는 기계적 운동을 수행할 수 있게 한다. 정전기적 척력은 자기 부상 열차, 자동차 현가장치(vehicle suspension), 비접촉식 베어링 등과 같은 다양한 분야에 사용되지만, 지금까지 재료 디자인은 인력 상호작용에 압도적으로 초점을 맞추고 있다.
생성된 새로운 재료는 흥미로운 특성들을 가진다. 이것은 자속(magnetic flux) 속에서 정렬되는 대전된 최초의 무기물 구조의 예이다. 이것은 삽입된 나노-시트와 평행하게 전단력을 적용할 때 쉽게 변형되지만, 직교적으로 인가된 압축력에 강하게 저항한다.
“이것은 놀라운 발견이지만, 이미 자연에서 사용되고 있는 것이다. 우리는 관절 연골에 영감을 얻어서 복합재료 속의 이방성 척력 정전기가 독특한 기능의 소프트 재료를 개발할 수 있는 새로운 가능성을 열어줄 것이라고 예상하고 있다.” 라고 이번 연구진은 말했다. 이런 종류의 재료들은 재생 의학에서부터 정밀 기계 공학까지 다양한 분야에 사용될 수 있을 것이다. 이것은 한 개의 평면 속에 변형 저항이 필요한 인공 연골, 방진(防振) 재료, 기타 재료를 제조할 수 있게 할 것이다. 이 연구결과는 저널 Nature에 “An anisotropic hydrogel with electrostatic repulsion between cofacially aligned nanosheets” 라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/nature14060).
출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』
