화학공학/고분자공학부 이기라 교수는 미국 뉴욕대학교 사카나 교수연구팀과 공동으로 "분자처럼 조립 가능한 패치 입자를 대량생산 하는 방법을 찾는데 성공했다."고 밝혔다.
* 패치 입자 (Patchy Particles): 구형의 입자 특정 표면에만 결합이 가능한 입자 입자(흰색)를 반대 전하의 기름방울(노란색)에 붙여서 얻어진 4면체 입자체 형성 과정

서로 반대의 전하를 갖는 기름방울과 구형의 플라스틱 입자를 섞으면 기름방울 주위에 입자들이 붙는데, 특정 크기의 비(~2.41)에서는 하나의 기름방울 주위에 입자 4개만 결합한다. 이후 입자들이 기름방울 안쪽으로 살짝 들어가면서 안정된 구조가 된다. 이후 반응을 통해 기름방울을 고체화 하면 입자 4개로 이루어진 입자 집합체를 대량으로 만들 수 있다. 연구팀은 이를 연구하는 과정에서 플라스틱 입자가 점토 같이 변형 가능하다면 뭉치면서 독특한 구형의 입자가 형성될 수 있음을 점토 모형으로부터 발견했다.

실험에서는 기름방울 고체화 이전에 플라스틱 입자를 용매를 가해서 녹여, 전체적으로 구형 입자로 변형했다. 그러자 안쪽에 있는 액체가 4개로 쪼개져 표면으로 가면서 4개의 패치가 생성되는 독특한 현상을 발견했다. 이렇게 얻어진 패치입자는 분자 같이 방향을 가지면서 결합할 수 있어 거의 모든 형태의 나노구조체를 구현할 수 있다. 그러나 기존 방법으로는 매우 소량의 패치입자만 얻을 수 있어 후속 연구에 여전히 어려움이 있었다. 이번 연구 결과로 패치입자를 대량으로 얻을 수 있어 그동안 기대해 왔던 다양한 3차원 나노구조체를 구현할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

또한, 이번 실험으로 얻은 패치입자를 최근 주목받고 있는 3차원 프린터와 결합하면, 인쇄된 3차원 마이크로 구조 내에 나노구조가 형성되는 4차원 프린터 연구가 가능해질 것으로 기대된다.

한편, 용액의 산도 (pH)에 따라서 내부의 기름방울이 내부에 머물수도 있는데, 이 조건에서는 중간에 4면체가 형성된 후 구형으로 변형되는 것을 계산을 통해 예측하고, 실험으로 검증했다. 이러한 비구형 사면체 입자는 합성이 불가능했는데, 이를 활용한 다양한 새로운 나노 구조체 연구가 활발하게 진행될 것으로 보인다. 뿐만 아니라, 기름방울과 입자의 크기 비를 조절하여 패치의 개수가 두 개 또는 여덟 개인 입자도 구현할 수 있음을 보였다.

이기라 교수 연구팀은 과학기술정보통신부(한국연구재단) 글로벌연구네트워크사업, 선도연구센터사업 지원으로 연구를 수행했으며, 이 연구는 세계 최고 과학전문지인 '네이처' 9월 18일자 (영국시간)에 온라인 게재되었다. 이기라 교수는 "이번 연구결과는 오랫동안 풀지 못했던 패치입자의 대량 생산 문제를 해결한 것으로 이를 이용한 나노구조체 조립 연구가 매우 활발해 질 것이며, 4D 프린터 연구도 본격화 될 것으로 기대한다"고 밝혔다.