다중반응성 마이크로겔의 광학적 이용 :: 산업뉴스

외부 자극에 대해 반응할 수 있는 지능형 재료는, 센서로부터 마이크로로봇에 이르기까지 다양한 분야에 유용하게 사용될 수 있기 때문에 많은 과학자들이 개발하고자 노력하고 있다. 캐나다 연구팀은 팽창하고 수축할 수 있는 고분자 기반의 마이크로겔(microgel)을 대상으로 연구를 수행하고 있다. Angewandte Chemie지를 통해, 연구팀은 빛, pH 값의 변화 혹은 온도에 반응하여 광학적 특성이 변하는 자그마하고 적층된 구조의 마이크로겔을 소개하고 있다. 또한 신경가스(nerve gas)도 검출할 수 있다.

겔은 가교결합(cross-linked)된 분자로 내부의 루프(loop)에 액체를 포함할 수 있어서 겔이 팽윤(swell up)할 수 있다. 마이크로겔은 자그마하고 안정적인 콜로이드 겔 입자이다. 앨버타 대학(University of Alberta)에서 Michael J. Serpe의 연구팀에 의해 연구된 마이크로겔은 32°C 이하의 온도에서 팽윤된다. 더 높은 온도에서는 마이크로겔이 붕괴되거나 수축된다. 연구팀은 이 물질을 이용해 에탈론(etalon)이라고 불리는 적층된 구조를 만들었다. 금 재질의 두 개의 얇은 층 사이에 매우 얇은 마이크로겔 층이 위치한다. 마이크로겔이 팽윤되면 두 개의 금속 박막 간의 거리가 멀이지고, 마이크로겔이 수축되면 다시 가까워진다. 적층구조의 광학적 특성은 금 박막층 사이의 거리에 따라 크게 변화하므로, 온도의 변화에 의존한다고 표현할 수 있겠다.

그러나 목표는 마이크로겔이 온도 이외의 다른 자극원에도 반응하도록 만드는 것이다. 연구팀은 TPL(triphenylmethane leucohydroxide)을 마이크로겔이 사용하였다. 이 물질은 다양한 자극원에 마이크로겔이 반응하도록 만드는 진정한 재주꾼이다. 적색 레이저가 TPL에 의해 흡수되면, 마이크로겔의 국소적인 온도가 올라가서 금 박막 사이의 거리를 감소시킨다.

반대로 자외선에 의해 TPL 분자들이 여기되면, leuco cations 및 hydroxy anions로 분해된다. 이런 이온의 전하는 마이크로겔이 부가적으로 물을 흡수하도록 도와주어, 금 박막 사이의 거리를 증가시킨다. 이런 효과로 인해 조절가능한 광학 부품으로의 사용에 적층 마이크로겔이 활용될 수 있다. 다른 가능한 응용분야가 약물전달 시스템에 사용하는 것이다. 인체의 질병이 있는 영역에 고파장의 빛을 피부를 통해 조사하면, 운송체에 포함된 약물이 원하는 영역에서 선택적으로 방출될 수 있다.

또한 마이크로겔은 pH 값의 변화에도 반응한다. 산성 pH는 leuco cations의 형성을 촉진하고 이 (+) 전하는 물을 흡수하여 겔이 팽윤되도록 한다. 만약 pH가 증가하면 마이크로겔은 수축한다. 이런 성질을 이용해 항암제에 사용할 수 있는데, 종양은 종종 주변의 정상조직과 다른 pH를 갖기 때문이다.

흥미롭게도 유기인산염(organophosphate)은 TPL 분자와 반응하여 leuco cations를 형성한다. 이로 인한 마이크로겔의 패윤과 광학적 성질의 변화는, 타분(tabun)과 같은 신경가스의 정량적 검출을 위해서도 사용될 수 있다.

* 자료 - KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』