Networks of triblock ellipses: from kagome order to disordered porous networks

콜로이드라고 알려진 액체 속에 떠 있는 아주 작은 입자들의 세계에서, 사물들이 서로 결합하는 방식은 그 형태와 어디가 끈적거리는지에 따라 크게 달라집니다. 사람들이 군중을 이루어 줄을 서려고 한다고 상상해 보십시오. 만약 모든 사람이 완벽하게 둥글고 누구에게나 똑같이 친절하다면, 그들은 자연스럽게 빈틈없이 최대한 빽빽하게 모여들 것입니다. 하지만 만약 당신이 그들에게 특정한 규칙을 부여한다면—예를 들어, 그들은 오직 자신들의 양옆에 서 있는 특정 두 사람하고만 손을 잡을 수 있고, 모양 또한 원형이 아닌 긴 타원형이라고 가정해 봅시다—그 결과는 완전히 달라질 것입니다. 그들은 빽빽하고 단단한 덩어리 대신, 중간에 구멍이 뚫린 개방적이고 다공성인 네트워크를 형성하게 됩니다. 과학자들은 이러한 개방형 구조에 오랫동안 관심을 가져왔는데, 그 독특한 형태가 빛이 통과하는 방식이나 유체가 이동하는 방식을 제어할 수 있기 때문이며, 이러한 특성들은 첨단 재료를 만드는 데 매우 중요합니다. 이러한 구조의 유명한 예로는 짜임새 있는 바구니를 닮은 패턴인 카고메 격자(kagome lattice)가 있는데, 이는 매우 질서 정연하면서도 빈 공간이 가득한 구조입니다.

비엔나 기술 대학교의 연구진은 최근 이 끈적이는 입자들의 모양을 구형에서 길쭉한 타원형으로 바꾸는 것이 이들이 네트워크를 구축하는 방식을 어떻게 변화시키는지 탐구했습니다. 그들은 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여, 각각 양 끝에 두 개의 끈적이는 지점을 가진 이 타원형 입자 수천 개가 온도와 농도의 다양한 조건 하에서 어떻게 조립되는지 관찰했습니다. 그들의 목표는 모양의 변화가 단순히 동일한 패턴을 다르게 나타나게 하는 것인지, 아니면 입자들이 서로를 찾아 고정되는 규칙 자체를 근본적으로 바꾸는 것인지 확인하는 것이었습니다. 그들은 타원형 입자들이 여전히 아름답고 질서 정다운 카고메 격자를 형성하지만, 그곳에 도달하는 경로가 놀라울 정도로 직접적이라는 것을 발견했습니다. 일반적인 원형 입자들이 보통 긴 사슬을 먼저 만든 다음 이를 재배열하여 최종 패턴을 만드는 것과 달리, 이 타원형 입자들은 완성된 구조로 곧장 뛰어들었습니다.

연구팀은 온도와 입자의 밀도를 조절함으로써 시스템을 완벽하게 질서 정연한 결정체 또는 무질서한 네트워크 중 하나로 조정할 수 있음을 관찰했습니다. 조건이 딱 맞았을 때, 입자들은 모든 구멍이 6개의 입자로 이루어진 완벽한 루프인 규칙적인 격자를 형성했습니다. 환경이 더 혼잡해지거나 온도가 낮아짐에 따라 이러한 질서는 무너지기 시작했습니다. 완벽한 루프는 왜곡되기 시작하여 5각형 또는 7각형의 구멍을 만들었고, 결국 네트워크는 다양한 형태가 뒤섞인 혼란스러운 상태가 되었습니다. 이 혼돈을 이해하기 위해 연구진은 연결 관계를 매핑하는 새로운 방법을 개발했습니다. 단순히 몇 개의 입자가 접촉하고 있는지를 세는 대신, 그들은 정확히 어떤 끈적이는 지점들이 연결되었는지를 추적했습니다. 이를 통해 연구진은 타원형 입자들이 독특한 유연성을 가지고 있음을 볼 수 있었습니다. 즉, 이들은 원형 입자보다 연결을 더 쉽게 굽힐 수 있었으며, 이것이 사슬을 형성하는 중간 단계를 건너뛰고 바로 복잡한 격자를 구축할 수 있게 도와준 것으로 보였습니다.

이 연구는 또한 이러한 네트워크가 어떻게 붕괴되는지가 무작위가 아님을 밝혔습니다. 질서가 사라짐에 따라 네트워크의 구멍들은 단순히 커지는 것이 아니라 그 성격이 변했습니다. 연구진은 네트워크가 7각형 구멍보다 5각형 구멍을 선호하는 경향을 보인다는 것을 발견했는데, 이는 다른 유형의 끈적이는 입자들에서도 확인되었던 특정한 불균형이었으나 이제 타원형 모양에서도 확인되었습니다. 이러한 변화는 타원형 모양이 특정 유형의 결함을 형성하기는 쉽게 만들면서도 다른 유형은 달성하기 어렵게 만든다는 점을 시사합니다. 또한 연구팀은 무질서한 영역에서 형성되는 기이한 사다리 모양의 구조들을 포착했는데, 이는 카고메 패턴의 우위를 다투고 있을 가능성이 있지만, 어떤 구조가 더 안정적인지는 아직 증명하지 못했습니다.

아마도 가장 중요한 발견은 이 입자들이 아무것도 없는 상태에서 어떻게 조립되었는가 하는 점일 것입니다. 원형 입자의 시뮬레이션에서 과학자들은 이전에 두 단계의 과정을 목격한 바 있습니다. 즉, 입자들이 먼저 길고 줄기 같은 사슬 형태로 뭉친 다음, 나중에 이 사슬들이 풀리고 재조직되어 최종 격자를 형성하는 과정입니다. 그러나 타원형 입자들은 그렇게 하지 않았습니다. 연구진이 조립을 유도하기 위해 온도를 낮추었을 때, 입자들은 긴 사슬 단계를 거치지 않고 즉시 질서 정연한 루프를 형성했습니다. 이는 입자의 길쭉한 모양이 다른 종류의 자유를 제공하여, 입자들이 훨씬 더 직접적으로 격자의 올바른 위치를 찾을 수 있게 해준다는 것을 시사합니다. 연구진은 낮은 온도에서 이러한 새로운 구조의 핵이 더 거칠고 가지가 많이 달린 형태가 되었으며, 더 많은 5각형 결함으로 채워졌다는 점에 주목했는데, 이는 조립의 속도가 완벽한 매끄러움을 희생시킨 결과임을 나타냅니다.

이 연구는 기하학적 구조의 단순한 변화—구체를 타원으로 늘리는 것—가 자기 조립의 규칙을 어떻게 다시 쓰는지 보여주는 명확한 사례입니다. 이는 재료가 형성되는 경로가 최종적인 형태만큼이나 중요하다는 것을 보여줍니다. 끈적이는 지점 사이의 연결을 매핑하는 새로운 방법을 도입함으로써, 연구진은 단순한 결합과 기존의 표준 분석으로는 보이지 않았던 복잡한 루프를 구분해 내는 강력한 도구를 갖게 되었습니다. 비록 이 연구가 전적으로 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 수행되었지만, 그 결과는 모양이 복잡한 재료의 형성에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 설득력 있는 가설을 제시합니다. 연구 결과는 특정 모양과 끈적이는 지점을 가진 입자를 설계함으로써, 과학자들이 정밀하게 제어된 다공성과 질서를 가진 재료의 형성을 유도할 수 있으며, 이를 통해 현재로서는 불가능한 방식으로 여과, 감지 또는 빛을 전도할 수 있는 재료를 공학적으로 설계할 수 있는 새로운 문을 열어줄 수 있음을 시사합니다.