텍사스 A&M 대학의 젠동 쳉(Zhengdong Cheng) 교수는 동료 연구진과 함께 액정의 분자들을 조작하여 산업계에서 필요한 더욱 효과적인 밀폐재료, 향상된 식품 포장, 그리고 더 성능 좋은 전자 기기 디스플레이의 개발을 가능하게 하였다.

연구진은 원반 모양의 액체 결정의 분자들이 서로 다른 분리된 층으로 향하게 하였다. 이런 층으로 된 상은 막대 모양의 액체 결정 분자에서는 일반적이지만, 원반 모양으로는 존재하지 않았다. 이 발견으로 인해 이미 많이 쓰이고 있는 물질도 더 향상된 기능의 물질로 확장시킬 수 있게 될 것으로 보인다.

액체 결정은 액체와 고체 결정의 중간인 물질 상태이다. 빛과 잘 작동하는 이상적인 고유 특성을 가졌을 뿐만 아니라, 전기장에 의해서 쉽게 조절될 수 있는 분자 구조를 가진 액체 결정은 텔레비전, 휴대폰, 그리고 휴대용 게임 디바이스의 전자 디스플레이에 많이 사용된다.

액체 결정은 또한 비누, 세척제뿐만 아니라, 인체 내의 단백질과 세포막에서도 발견된다. 쳉은 이런 분야뿐만 아니라 액체 결정 기술을 사용하는 수많은 분야가 이 새로운 발견의 혜택을 볼 수 있을 것이라고 하였다.

쳉의 발견의 핵심은 그가 사용한 액체 결정 분자의 모양이다. 혈소판의 원반 모양은 그것들이 형성한 층 구조와 결합하여 거의 스며들지 않은 밀폐제가 될 수 있게 한다. 그와 같은 밀폐제를 식품 용기에 적용하면 더 오랜 기간 동안 식품을 신선하게 보존할 수 있을 것이라고 쳉은 말하였다.

더구나 물질 안의 액체 결정 기술을 페인트와 산업 밀폐제에 사용하면 효과적으로 파이프를 부식으로부터 보호할 수 있게 될 것이라고 그는 덧붙였다.

연료전지 기술의 문제점은 메탄올이 셀 내의 폴리머 멤브레인을 통과할 때에 발생한다. 그러나 이런 원반들을 폴리머 박막의 구성 안에 넣을 수 있다면 멤브레인은 메탄올이 통과할 수 없도록 제작될 수 있을 것이라고 쳉은 말하였다.

그리고 이런 층 구조 액체 결정 분자들은 더 쉽게 조작될 수 있고, 현재 TV 디스플레이에 사용되고 있는 막대 모양의 액체 결정 분자보다 전기장에 더 민감하다.

쳉은 차세대 LCD TV는 그가 발견한 액체 결정 기술을 사용하면 더 시각적 특성을 가지면서도 더 에너지 효율적이 될 수 있을 것이라고 말하였다.

쳉의 실험에서 각 원반은 수백만 개의 원자들로 구성되어 있으며, 2.68 나노미터의 동일한 두께를 가진 무기 결정의 단일층이며, 직경은 약 2,000 나노미터이다.

이런 원반들은 핵폐기물을 제거하는 것을 도와주도록 제조된 인위적인 결정의 형태인 지르코늄 인산염(Zirconium Phosphate) 화합물 결정을 벗겨 제작하였다.

원반 부유물을 두 개의 빛 편광기 사이에 놓음으로써 쳉은 먼저 부유물이 액체 결정 형태를 가졌다는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 X-선 기술을 이용하여, 자체 조립이라고 불리는 과정을 통하여 어떻게 스스로 정렬되는지를 관측하였다.

자체 조립을 통하여 이런 각각의 원반은 주위로 움직이게 되고 주위의 물 분자들과 충돌하여 이웃 원반들과 상호 작용하게 된다. 어느 정도 시간이 지난 후, 원반은 기둥 같은 구조를 형성하고 안정된 상태에 도달하게 된다고 쳉은 말하였다.

쳉의 실험에서 원반들은 스스로 분리된 층으로 조립되는, 흔하지 않은 방식으로 행동하였다.

쳉 연구진은 이에 대한 이유로 다음의 세 가지 요인을 들었다. 첫째는 각 액체 결정 원반의 두께이다. 각 원반은 동일한 두께를 가져야만 한다. 이 실험의 경우에는 2.68 나노미터이다.

두 번째 요인은 원반의 직경이 변해야 한다는 것이다. 그리고 마지막 요인은 원반 직경과 원반 두께의 종횡비가 커야한다는 것이다. 그는 이전의 연구에서는 종횡비가 너무 작아서 층 형성이 부족하게 된 것으로 보인다고 말하였다.

조나리 기자/olivelina@paran.com