불멸의 '슈퍼 겔'

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-11-26 20:39:42
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- 압력을 가하면 강화 유리처럼 단단해지는 하이드로겔을 개발
- 정상적인 조건에서 부드럽고 유연하지만, 일관성이 가역적으로 바뀐다.
- 고무처럼 부드러운 것부터 유리처럼 단단한 것까지 전체 범위를 커버

불멸의 "슈퍼 겔"
압력을 가하면 유리처럼 단단해지는 새로운 형태의 하이드로겔


묽지만 강력함:
연구원들이 압력을 가하면 강화 유리처럼 단단해지는 하이드로겔을 개발했다.
자동차가 부서지거나 녹지 않고 차를 굴릴 수도 있다. 겔은 정상적인 조건에서 부드럽고 유연하지만, 일관성이 가역적으로 바뀐다. 이것은 하이드로겔의 고분자 구조가 매우 느리게 진행되는 특수한 교차 지지대를 가지고 있기 때문에 가능하다. 연구팀은 연구 결과를 전문 저널 "Nature Materials"에 보고했다. 

▲ 정상 상태에서 이 하이드로겔은 부드럽고 끈적끈적하다. 그러나 압력을 가하면 유리처럼 단단해진다.

© University of Cambridge


하이드로겔은 수용성이 아니지만 많은 양의 물을 자체적으로 결합할 수 있는 가교 중합체로 구성된다. 이러한 겔의 특성과 거동은 이러한 프레임워크의 가교를 구체적으로 조정함으로써 다양한 방식으로 변할 수 있다. 예를 들어 일부는 수중 접착제로 사용되며 다른 일부는 장기 성장을 위한 비계 또는 수술 시 이음매 접착제로 사용된다. 겔은 건조할 때 많은 양의 물을 흡수할 수 있기 때문에 기저귀 및 생리대의 초흡수제로도 사용된다.

그것은 모두 연결에 달려 있다.

케임브리지 대학의 Zehuan Huang과 함께 일하는 연구원들이 개발한 하이드로겔 변형은 이제 대부분 끈적끈적한 겔이 안전유리처럼 단단하고 안정적이라는 것을 입증했다. 출발점은 대부분의 연질 하이드로겔의 경우 가교제(corss-linking agent, 架橋劑)로 알려진 비스듬한 연결이 약간 제공된다는 관찰이었다. 그들은 대부분 수소 결합과 빠르게 해리되는 다른 비공유 결합을 기반으로 한다.

"우리는 이러한 가교제의 저장 수명 연장이 유리와 같은 물질처럼 행동하는 초분자 폴리머 네트워크를 생성하는 것을 가능하게 한다"고 연구원들은 설명했다. 이를 위해 그들은 교차 지지대가 소위 쿠커비투릴(cucurbiturils)로 구성된 하이드로겔을 개발했다. 이 케이지는 가교제가 분리되는 힘에 매우 느리게 반응하도록 한다.

▲ 케이지 같은 쿠커비투릴은 하이드로겔의 가교제를 특히 내성을 갖도록 한다.

© M stone / engl. Wikipedia, CC-by-sa 3.0


차에 깔려도 여전히 다치지 않음

그런 다음 팀은 실험실 테스트에서 1.2톤 자동차로 운전해 이러한 하이드로겔이 압력에 얼마나 안정적으로 반응하는지 테스트했다. 실제로 수정된 겔은 1GPa(기가파스칼) 이상의 압력을 견뎌냈다. 이는 대기압보다 1만 배나 더 큰 것이다. 굴복하고 부서지는 대신 압축을 받아 유리처럼 단단해졌다. 후앙(Huang)의 동료 Jade McCune은 "하이드로겔이 압축을 견디는 방식은 놀라웠다. 우리는 이전에 하이드로겔에서 이와 같은 것을 본 적이 없었다"고 말했다.

이것은 자동차 테스트에서도 나타났다.
SUV는 약 7 x 5cm의 큰 하이드로겔 판 위로 굴러 1분 동안 그 위에 서 있었다.
연구팀은 “16회 반복해도 균열이나 돌이킬 수 없는 변형이 보이지 않았다”고 말했다. 대신, 하이드로겔은 압력을 가하면 압축되고 단단해졌지만, 압력을 제거하면 부드럽고 원래의 모양을 되찾았다.
▲ 자동차 테스트: 하이드로겔은 차에 깔려도 견디고 처음의 부드러운 상태로 돌아간다. © 케임브리지 대학교

"교과서의 새로운 장“

"우리가 아는 한, 유리체 하이드로겔이 만들어진 것은 이번이 처음입니다."라고 Huang은 말합니다. "이것은 고성능 겔 분야의 새로운 장을 엽니다." 팀의 의견에 따르면 이러한 변형된 하이드로겔은 그러한 물질의 가능한 사용을 상당히 확장한다.

선임 저자인 케임브리지 대학의 오렌 셔먼(Oren Scherman)은 "사람들은 고무 같은 하이드로겔을 만드는 데 몇 년을 보냈지만, 그것은 절반에 불과했다. 우리는 이제 고무처럼 부드러운 것부터 유리처럼 단단한 것까지 전체 범위를 커버할 수 있는 새로운 종류의 재료를 개발했다"고 설명했다. 왜냐하면 압축되었을 때 젤이 얼마나 단단해졌는지는 가교제 말단을 화학적으로 수정함으로써 통제된 방식으로 조정할 수 있기 때문이다.
(Nature Materials, 2021; doi: 10.1038/s41563-021-01124-x)

출처: University of Cambridge

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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