힘에 대한 극성을 가진 전례 없는 재료 개발

지금까지 버려졌던 에너지도 회수 가능

세포, 생물 행동 제어, 스포츠용품 등 폭넓은 분야에서 활용이 기대

[객원 에디터 6기 / 최하연 기자] 이화학연구소는 2023년 4월 14일에 외부에서 가해진 힘의 좌우 방향을 가려 한 방향으로만 변형할 수 있는 세계 최초의 겔 재료를 개발하였다고 발표하였다. 이 재료는 난잡한 상태에서 질서 상태를 만들어내는, 즉 엔트로피(무질서의 정도를 나타내는 양) 증대를 거스르는 능력을 가지며 세포, 생물 행동 제어, 스포츠용품 등 다양한 분야에서 응용이 기대되고 있다. 

이 세상에 존재하는 대부분의 물질은 질서한 상태에서 무질서한 상태로 이동하며, 이것을 엔트로피 증대라고 하는데, 이와 반대로 외계로부터의 에너지를 이용하며 엔트로피 증가에 거스르는 기구가 생명 조직이나 기능재료에는 존재한다. 예컨대, 생명 활동의 근원인 모터 단백질, 실현되어 인류의 생활양식을 일변한 정류 다이오드, 광 아이솔에이터 등이 있다. 

엔트로피 증대를 거스르기 위해서는 왼쪽 혹은 오른쪽에서 자극하였을 때 자극의 방향에 따라 다른 응답을 나타내는 극성이 필요하다. 자기, 전기, 빛에 대해 극성을 나타내는 재료는 오랜 세월 동안 연구되어 왔으며, 결속밴드, 자전거뒷바퀴축, 라쳇렌치를 포함하는 역학적 극성을 나타내는 도구는 있지만, 힘에 대한 극성을 나타내는 재료는 상정조차 되지 않았다. 

여기서 이화학연구소는 가공물로서 외형에 의존하지 않는 물질 본연의 성질로서 역학 극성을 나타내며, 다양한 크기의 물질에 대해 단방향의 힘을 전달이 가능한 매우 유용한 재료인 하이드로겔을 개발하였다.

이 하이드로겔의 중요한 점은 산화 그래핀 나노시트가 기울기 45도로 들어가 있는 점이며, 겔 내부의 구조는 좌우비대칭으로 된다. 이 특징으로 인해, 좌전단과 우전단 사이에서는 기하학적으로 비등가가 된다. 즉, 좌측 전지에서는 나노시트가 압축되어, 휘어지어, 겔을 보강할 수 없는 반면, 우측 전지에서는 나노시트는 당겨지어 휘어지지 않기 때문에 겔을 계속 보강한다. 그 결과, 이 겔은 왼쪽 전단에서는 쉽게 변형되지만, 오른쪽 전단에서는 변형이 거의 되지 않으며, 양쪽 탄성률 차이는 67배가 나는 것으로 나타났다. 게다가 이 재료는 역학적 극성을 나타낼 뿐만 아니라 90퍼센트 이상이 물로 구성되어 있는 하이드로겔이며, 생체 친화적인 재료이기도 하다. 

 이 역학적 극성을 나타내는 하이드로겔 표면에 접촉 및 충돌하는 물체는 겔의 왼쪽이 휘어지기 쉽기 때문에 부드러워 오른쪽보다 더 가라앉아 오른쪽을 향해 밀려나는 힘을 받기 때문에 상식 밖의 물리 운동을 볼 수 있다. 철 소구를 겔 평판 위로 자유 낙하시키면 소구는 입사각에서 크게 오른쪽으로 기울어진 방향으로 튕겨 나간다. 

게다가, 겔 위에 테프로판을 놓고 그 위에 물방울을 떨어뜨려 겔 하면에서 대칭 진동을 가하면, 물방울에 좌우 비대칭 진동이 가해지기 때문에 오른쪽으로 일정 속도로 이동한다. 이 한 방향 이동의 효율은 매우 높으며, 진동기를 수직으로 세운 경우조차 물방울은 중력을 거스르고 일정 속도로 테프론판을 올라간다.

또한, 이 겔 평판 중앙에 선충을 올리면, 놀랍게도 약 40분 후에 모든 개체가 오른쪽 끝으로 이동하였다. 이 결과는 이 재료가 물질뿐만 아니라 생물에 대해서도 한 방향 이동을 유도할 수 있음을 보여준다. 동일한 주행방향 제어가 선충뿐만 아니라 세포의 유주에 대해서도 가능하면 줄기세포의 미분화 유지, 세포조직의 극성화 등 다양한 응용으로 이어질 가능성이 있다. 

이 겔의 방향을 제어하는 기능, 엔트로피 증가를 거스르는 능력은 기존에 버려졌던 엔트로피가 증가한 에너지를 회수하는 장치, 힘을 원하는 방향으로 전달하는 고기능 스포츠용품, 세포의 유주나 분화를 제어하는 차세대 배지 등 꿈 있는 응용을 기대할 수 있다.