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젤은 말랑말랑하지만 쉽게 으스러진다. 반대로 유리는 단단하지만 잘 늘어나지 않아 잡아당기는 힘이 강해지면 부서지고 만다. 최근 마이클 디키 미국 노스캐롤라이나주립대 화학 및 생체분자공학과 교수팀이 단단한 유리와 말랑말랑한 젤의 장점을 모두 갖춘 소재 ‘유리성 젤’을 개발했다. 해당 연구는 6월 19일 국제학술지 ‘네이처’에 게재됐다. doi: 10.1038/s41586-024-07564-0
연구팀은 유리처럼 딱딱하고 젤처럼 말랑말랑한 플라스틱을 만들기 위해, 각 물성을 띠는 물질의 고분자 체인에 주목했다. 젤은 고분자 체인이 교차 결합된 형태다. 이 교차 결합이 많을수록 단단해지고, 적을수록 유연하고 쉽게 변형된다. 이에 반해 유리처럼 단단한 플라스틱인 유리성 폴리머는 고분자 체인이 질서 없이 얽혀있는 ‘비정질 구조’를 갖는다.
연구팀은 이온성 액체를 사용해 말랑하되 단단한 플라스틱을 만들었다. 이온성 액체는 100℃ 이하에서 액체 상태로 존재하는 염(산의 음이온과 염기의 양이온이 정전기적 인력으로 결합한 이온성 화합물)을 말한다. 이온성 액체는 고분자 사슬 사이에 강한 비공유 결합을 형성시켜 유리성 폴리머처럼 단단하고 강한 구조를 형성할 수 있도록 한다. 또한 고분자 사슬 사이의 자유 부피(액체의 각 분자 주위의 빈 공간의 부피)를 증가시켜 연신율(재료가 끊어질 때까지 얼마나 늘어나는지 확인하는 단위)을 높인다.
연구팀이 만든 유리성 젤은 유리성 폴리머 강도를 유지하면서도 원래 길이의 최대 5배까지 늘어날 수 있다. 또한 가열 시 빠르게 원래 상태로 회복돼 높은 변형 회복력을 가졌다. 유리성 젤의 또 다른 특이한 물성은 접착력이 매우 강하다는 것이다. 이는 이온성 액체가 폴리머 사슬과 강력한 비공유 결합을 형성해 다양한 표면과 강한 전기적 상호작용을 하기 때문으로 추측된다.
연구를 이끈 디키 교수는 “여러 고유성을 가진 플라스틱을 만들기 위해선 복잡한 과정이 필요하지만, 유리성 젤은 다양한 고유성을 가지면서 제작 방법이 쉽다”며 “재료의 응용 분야를 찾기 위해 더 많은 연구자들과 계속해서 연구를 진행할 것”이라고 덧붙였다.
