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UNIST 자연과학부 바르토슈 그쥐보프스키 특훈교수(IBS 첨단연성물질 연구단 그룹리더)가 이끄는 국제공동연구팀은 ‘이온성 고분자가 포함된 용액’에서 흔들림이 성장하는 결정에 충격을 줘 결정화를 촉진한다는 점을 발견하고 그 원인을 규명함.

그동안은 용액 속 물질이 결정화할 때 외부 충격을 적게 받을수록 큰 결정이 만들어진다고 알려졌는데 이번 연구는 그런 상식을 정면으로 뒤집은 것임.

결정화는 먼저 결정 씨앗(핵)이 만들어지고, 그 씨앗이 점점 성장하면서 진행되는데 큰 결정을 빠르게 얻기 위해서는 성장 중에 큰 결정이 더 크게 뭉쳐지는 ‘오스트발트 숙성’이 잘 일어나야 함. 이때 외부 충격은 작은 결정을 여러 개 만들기 때문에 큰 결정의 성장을 방해한다고 알려져 왔음.

하지만 연구팀은 기존 통념과 반대되는 현상을 발견했음. 용액에서 소용돌이 같은 흐름이 생겨 충격을 주자 오히려 결정화가 빨라진 것으로 연구팀은 이 현상이 ‘이온성 고분자가 결정으로 만들 물질 대신 용매를 흡착하기 때문’이라는 가설을 세움. 결정의 성장은 목표로 삼은 물질만 남기고 용매를 제거하는 과정으로 볼 수 있는데 이온성 고분자가 포함된 용액에 흔들림을 주면 회전력이 나타나 뭉쳤던 고분자를 펴면서 고분자 사슬이 용매를 더 잘 흡착한다고 본 것임.

이 가설을 검증하기 위해 이온성 고분자를 포함한 용액에 회전력을 가하면서 결정화하는 실험을 진행하자 기존보다 10배 이상 빨리 결정이 자랐고 성장속도는 회전속도와 고분자의 길이에 비례했음. 이번 연구에서는 유·무기물질과 단백질 등 20개 물질의 결정화를 시도했는데 새로운 방식을 쓰자 용매의 종류와 상관없이 결정 성장이 촉진됐음. 기존 오스트발트 숙성이 아닌 새로운 물리적 현상에 의해 결정화가 촉진되는 방법으로 학계에서 주목받고 있음.

본 연구 성과는 ‘Nature’ 지에 게재됨.