단국대 김민규 교수(화학공학과)가 미국 조지아텍 Vladimir V. Tsukruk 교수와 공동으로 자기장을 이용해 빛의 방향을 자유롭게 조절하는 친환경 카이랄성 셀룰로스 소재를 발견했다.

‘카이랄성(chirality)’은 물질의 분자식은 같지만 구조가 다른 특성을 말한다. 왼손과 오른손이 구조는 동일하지만 거울에 비친 것과 같이 대칭을 이루고 있어 서로 겹쳐지지 않는 것과 같다. 주로 자연계에 존재하는 단백질 아미노산, 단당류 등이 카이랄성을 띠고 있다.

카이랄성 분자는 물리적인 화학 구조가 동일하기 때문에 빛의 회전 방향으로만 구분할 수 있다. 카이랄성은 오랜 시간 약학 분야에서 연구돼왔다. 최근 과학계는 카이랄성 분자의 빛 회전 방향을 이용해 고성능 공학 컴퓨터, 차세대 바이오센서, 초전도체 등 첨단 전자·전기소자 개발로 관심이 높다.

이 가운데 셀룰로스 나노결정(Cellulose Nanocrystals)은 친환경적이고 유연성과 강도가 뛰어나 재료 및 생채공학에서 차세대 카이랄성 소재로 주목받고 있다. 셀룰로스 나노결정은 빛의 왼쪽 방향으로 회전하는 성질을 가졌는데 기존 연구에서는 이를 반대로 조절하거나 자유롭게 조절하는 것은 불가능했다.

이를 극복하기 위해 연구팀은 자성 나노입자를 셀룰로스 나노 결정 표면에 부착했다. 이 소재가 분산된 용액을 자기장 위에서 건조하자 스스로 정렬해 원래 성질과는 달리 오른쪽 방향으로 회전한다는 사실을 밝혔다. 즉 자기장을 이용해 친환경 카이랄성 소재의 빛 회전 방향을 자유자재로 조절할 수 있게 된 것이다.

김 교수는 “이번 연구는 친환경적이고 지속가능한 미래 광통신, 고성능 광학 컴퓨터, 카이랄 비선형 포토닉스, 유도된 카이랄 발광, 레이징 및 이성질체 센싱을 위한 패턴화된 카이랄 광학 신소재를 개발하는 데 중요한 밑거름이 될 것”이라고 밝혔다.

연구논문은 재료과학 및 다학제 연구분야 상위 5.5% (JCR, 2023년 기준)인 국제 저명 학술지 ‘ACS Nano’ 9월에 온라인 게재됐다.

한편, 이번 연구는 미 공군 연구소 및 미 공군 과학 연구실 사업 지원을 받아 진행됐다.