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양재성 교수팀
양재성 교수팀, 단일분자 추적법 기반 고분자 네트워크의 사슬 형태에 따른 구조적 이질성 규명 화학및의화학과
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양재성 교수팀, 단일분자 추적법 기반 고분자 네트워크의 사슬 형태에 따른 구조적 이질성 규명
나노과학 분야 세계적 학술지 ‘Nano Letters (IF=12.262)’ 게재
[사진. 양재성 교수(좌), 제1저자 정혜영 학생(우)] 미래캠퍼스 화학및의화학과 양재성 교수 연구팀은 고분자–용매 간 열역학적 상호작용에 따른 단일 고분자 사슬 형태가 고분자 네트워크의 나노미터 수준 구조 이질성에 미치는 영향을 단일분자 추적법을 사용하여 규명했다.
고분자 네트워크와 같은 복잡계에서 나노미터 수준의 미시적 구조 이질성은 점탄성, 가소성 등 물리적 특성뿐 아니라 미세 환경 내 물질 수송에 결정적인 영향을 미친다. 고분자 네트워크의 기본 구성 요소는 단일 사슬이나, 사슬 형태에 따른 네트워크 내 구조 이질성에 대한 이해는 아직 정립되어 있지 않은 실정이다.
플로리–허긴스 이론(Flory-Huggins theory)에 따르면, 고분자–용매 상호작용계수(χ)가 0보다 작은 경우 고분자 사슬은 랜덤 코일(random coil) 형태를 띠고 네트워크 형성 시 사슬 간 얽힘이 발생(interchain entangled network)한다. 반면 χ>0인 경우 사슬 자가 얽힘(self-entanglement)이 일어나고 네트워크 형성 시 구상 형태 사슬 간 상호 압축이 발생(intrachain entangled network)한다(그림, 좌).
이에 착안하여, 양재성 교수 연구팀은 1) 용매증기 팽윤법과 광시야 형광 현미경법을 접목한 다중모드 실험기기를 개발하고 2) 사슬 형태를 제어한 고분자 네트워크 박막을 제작하여 3) 단일 형광 분자의 박막 내 병진확산 동역학을 박막 팽윤도에 따라 측정함으로써, 나노미터 수준에서 비 이상적인 분자 거동을 검출 및 분석하였다.
자가 얽힘된 사슬이 상호 압축되어 있는 고분자 네트워크에서 하위 확산, 비 가우시안 확산(장거리 도약 등) 등 단일분자의 비 브라운 거동이 두드러지게 나타났고, 이로부터 이 복잡계에서 네트워크 내 구조 이질성이 클 뿐 아니라 용매 분자 흡수에 따른 네트워크 가소화가 비효율적임을 밝혀냈다(그림, 우).
[그림. 고분자-용매 간 열역학적 상호작용에 따른 고분자 사슬 형태 및 네트워크 구조(좌), 고분자 네트워크의 구조 이질성에 따른 단일분자의 비 브라운 거동(우)]연구팀은 “본 연구에서 규명한 고분자 사슬 형태–네트워크 구조 이질성 간 상관관계는 개별 고분자 사슬의 구조 제어를 통해 고분자 네트워크 기반 박막의 물리적, 기계적 특성을 최적화하는데 유용한 설계 전략을 제시할 것이다”라고 본 연구의 의의를 밝혔다.
본 연구는 한국연구재단 기초연구실지원사업과 기본연구지원사업의 지원으로 수행되었으며, 나노과학 분야 국제 학술 권위지인 ‘나노 레터스(Nano Letters, IF=12.262)’에 6월 24일 온라인 게재됐다.
논문정보
l 논문제목: Impact of Chain Conformation on Structural Heterogeneity in Polymer Network
l 논문주소: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c01574
연구진
