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네거티브 푸아송비 나타내는 새 메타물질 합성 성공


UNIST 최원영 교수팀, 금속-유기 골격체로 메타물질 특성 확인

[아이뉴스24 최상국 기자] 고무공을 누르면 옆으로 퍼지면서 타원형이 된다. 고무줄을 당기면 팽팽하게 가늘어진다. 자연계의 물질은 힘을 가하면 힘을 받은 수직방향으로 늘어나거나 줄어드는게 일반적이다. 힘을 받은 수직방향으로 압축, 팽창하는 비율을 푸아송 비(Poisson's ratio)라고 한다.

이와 반대로 프와송 비가 마이너스 수치를 나타내는 음성 푸아송비(Negative Poisson's ratio, NPR)’를 가진 물질은 '메타물질'로 부르며 과학자들이 인위적으로 만들어낸다. 음성 푸아송비를 가진 물질은 누르면 수직방향으로도 같이 줄어들고 당기면 수직방향도 같이 커진다.

울산과학기술원(UNIST, 총장 정무영) 자연과학부의 최원영 교수팀은 금속과 유기물로 이뤄진 구멍이 많은 구조체인 ‘금속-유기 골격체(Metal-Organic Framework, MOF)’를 합성해 음성 푸아송 비(NPR)의 특성을 확인하는 데 성공했다고 12일 밝혔다.

연구팀은 기존에 연구된 음성 푸아송 비의 특징을 가진 모델들의 구조적 특징을 관찰하고 그 중에서 ‘내부 구조 배열이 회전하는 형태’에 주목, 이를 유연한 고체 물질에서 구현해 냈다. 유연성이 있는 새로운 포피린(Porphyrin) 기반의 금속-유기 골격체(MOFs)를 합성하고, 음성 푸아송 비의 특성을 발견하는 데 성공한 것이다.

푸아송 비의 특성과 음성 푸아송 비의 특성에 따라 변형되는 물질의 모식도: (A) 자연계의 대부분 물질이 가지는 형태 (B) 음성 푸아송 비를 가지는 물질의 형태 [UNIST 제공]
푸아송 비의 특성과 음성 푸아송 비의 특성에 따라 변형되는 물질의 모식도: (A) 자연계의 대부분 물질이 가지는 형태 (B) 음성 푸아송 비를 가지는 물질의 형태 [UNIST 제공]

제1저자인 진은지 UNIST 화학과 박사과정 연구원은 “음성 푸아송 비의 특성은 구성성분이나 크기가 아니라 내부 구조의 배열이 핵심적인 역할을 한다”며 “이번 연구에서는 음성 푸아송 비의 특성을 갖는 회전 모델을 자기조립 고체 물질에 적용한 것”이라고 설명했다.

연구팀은 새로 합성한 물질에서 음성 푸아송 비의 특징이 나타나는 원리도 규명했다. 이 물질에는 경첩처럼 접히는 구조(Hinged Point)가 있어 이를 중심으로 내부 구조의 배열이 변한다. 그 결과 회전 메커니즘을 토대로 물질이 수축·팽창하면서 음성 푸아송 비의 특징을 보이는 것이다.

진은지 연구원은 “회전 모델을 가진 물질은 외부에서 자극이 주어지면 힌지 포인트를 중심으로 내부 구조가 변하면서 빈틈없이 모이거나(수축), 힌지 포인트만 접촉한 채 모두 떨어진다(팽창)”며 “이번에 새로 합성한 물질 또한 회전 모델을 기반으로 외부 자극(온도)에 따라 회전하면서 구조가 변하는 현상을 확인했다”고 전했다.

새롭게 합성한 금속-유기 골격체는 접히는 지점(Hinged Point)이 있어 유연성을 가진다. 이 물질을 양쪽으로 잡아당기면 접히는 지점을 중심으로 직육면체가 회전하면서 당기는 방향의 수직으로 팽창하게 된다. 반대로 이 물질을 양쪽에서 누르면 접히는 지점을 중심으로 직육면체들이 다시 회전하면서 누르는 방향의 수직으로 수축한다. [UNIST 제공]
새롭게 합성한 금속-유기 골격체는 접히는 지점(Hinged Point)이 있어 유연성을 가진다. 이 물질을 양쪽으로 잡아당기면 접히는 지점을 중심으로 직육면체가 회전하면서 당기는 방향의 수직으로 팽창하게 된다. 반대로 이 물질을 양쪽에서 누르면 접히는 지점을 중심으로 직육면체들이 다시 회전하면서 누르는 방향의 수직으로 수축한다. [UNIST 제공]

금속-유기 골격체(MOFs)는 유기분자와 금속을 스스로 조립하게 유도해 합성한다. 다양한 금속과 유기분자를 선택해 원하는 대로 설계할 수 있으며 지금까지 공개된 MOF 구조가 7만여개에 이른다. 최원영 교수는 “이번 연구의 가장 큰 성과는 보고된 7만여 개의 금속-유기 골격체 중 특정 구조가 음성 푸아송 비의 특성을 갖는 물질의 후보가 될 수 있음을 보인 것”이라며 “다양한 구조에서 새로운 메타 물질의 등장을 예고한다”고 밝혔다.

이번 연구에는 나명수 UNIST 자연과학부 교수와 장우동 연세대 교수도 참여했다. 연구내용은 사이언스(Science)의 자매지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 5월 10일에 게재됐다.

최상국 기자 skchoi@inews24.com






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