나노기술 및 정책 정보

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룩셈부르크 대학교(University of Luxembourg) 연구팀이 주변 유체에 존재하는 코팅된 물방울(일명 액체구슬)을 사용하여 셀룰로오스 기반 폴리머에서 구조색을 만드는 방법을 개발했음. 이는 투명한 재료의 작고 규칙적인 구조요소에 의해 빛이 반사될 때 표면에서 구조색을 나타낼 수 있기 때문임. 구조색은 염료를 사용하지 않고 재료에 색상을 발현시키는 방법임. 염료 대신 투명한 물질의 분자 또는 다른 요소의 규칙적인 배열을 통해 색상을 나타내는 것임. 예로써 카멜레온 피부에서와 같이 나노결정립의 일정한 간격을 가진 배열을 통해 물고기의 선명한 줄무늬색, 나비 등에서도 볼 수 있음.

연구팀은 반사가 발생하고 구조적 색상이 나타나는 구조적 요소로 폴리머의 전체 나선형 회전거리인 피치를 제어하는 ​​수단을 확인했음. 기존에는 이런 구조적 색상(콜레스테릭 상이라고 함)을 생성하는 피치로 바이오 폴리머의 액정상을 준비할 수 있지만 이러한 준비는 많은 매개변수에 의존하며 평형에 도달하는 데 오랜 시간이 필요했음. 개발된 기술은 바이오 폴리머 기반 구조색상이 제어된 자가조립을 위한 플랫폼으로 액체구슬을 사용하는 더 빠르고 제어 가능한 방법을 발견한 것임. 액체구슬은 나노입자로 코팅된 밀리미터 크기의 액정용액방울임. 코팅층은 액체가 외부 액체와 혼합되는 것을 방지하지만 두 액체의 특성에 따라 약간의 상호작용을 허용하기도 함. 연구팀은 실리카 나노입자로 코팅된 하이드록시프로필 셀룰로오스(콜레스테릭 상으로 배향되는 변형된 셀룰로오스 폴리머)의 수용액으로부터 액체구슬을 만들었음. 이 셀룰로오스 기반 액체구슬은 처음에는 무색 이었지만 일정량의 유기용제에 일정시간 머무르도록 허용하면 천천히 밝은 색의 빨강, 녹색 및 파랑이 나타나게 됨. 색은 구슬 속의 농도변화의 결과임을 밝혀냈음. 유기용매는 액상구슬에서 물을 천천히 추출하여 구조색에 적합한 결정 형태를 가지게 함. 연구팀은 이러한 과정에서 고분자 분자가 농도변화에 따라 재배열하고 새로운 평형 피치로 조직화할 수 있는 충분한 시간을 제공하기 때문에 제어 가능성이 높아지게 됨.

이 방법은 우아하고 단순하며 색상은 유기 용제의 부피에만 의존함. 연구팀은 또한 열, 압력 또는 화학물질에 대한 노출과 같은 외부자극을 도입하고 다양한 피치 간격에 해당하는 특징적인 색상변화를 관찰했음. 이러한 변화는 되돌릴 수 있었으며, 정상조건을 다시 적용할 때 액체구슬이 원래 색상으로 돌아갈 수 있었음.

연구팀은 바이오폴리머 기반 액체구슬이 비용 효율적이고 환경 친화적이며 지속 가능한 센서를 합성하는 경로를 제공할 수 있다고 기대함.

본 연구 성과는 ‘Angewandte Chemie’ ("Responsive Photonic Liquid Marbles") 지에 게재됨.