최근 찰머스대(Chalmer`s University of Technology) 연구진은 입자의 최대 대칭 시스템에서 서로의 거울상 이미지인 두 가지 상이한 패턴이 형성된다는 것을 알 수 있었다. Physical Review Letters에 이러한 결과를 보고한 연구진은 자기 조립 나노재료에 대해 수학적으로 디자인하는 연구를 집중하고 있다.

찰머스대 연구진은 소위 자기 조립 시스템(self-assembling system)을 연구하고 있다. 연구의 목적은 서로 혼합되었을 때 자체적으로 조립되는 분자 구축 블록의 형성 방법을 계산하는 것이다.

많은 화학 및 물리 시스템에서 중요한 성질 중 하나는 키랄성(chirality)이다. 대부분의 덩치 큰 분자들은 키랄성을 지니는데, 이는 왼손 오른손의 관계처럼 서로의 거울상 이미지인 다른 두 가지 형태가 존재함을 의미한다. 종종 두 종류는 완벽히 다른 효과를 야기한다. 가장 잘 알려진 예 중의 하나는 약물인 탈리도마이드로서, 활성 분자의 키랄 형태는 기형아를 유발한다.

일반적으로 키랄성은 입자 혹은 원자의 상이한 형태가 복잡한 분자로 결합되면 발생한다. 하지만, 찰머스대 연구진은 물리적 관점에서 완전히 새로운 것을 보고하였다. 즉, 키랄성은 한 가지 형태의 기본적인 구형 대칭 입자로 구성된 시스템일지라도 자발적으로 발생할 수 있다는 것이다. 이는 입자가 서로에 대해 어떻게 회전되어 있는지에 관계 없다는 것을 의미한다. 입자간 발휘되는 힘은 이들 사이의 거리에만 의존한다.

따라서, 키랄 비대칭성은 기본적인 조건이 최대 대칭성인 시스템에서 자발적으로 발생한다. 이는 자기 조립 재료를 개발하기 위한 관점에서 중요한 사실이며, 또한 왜 키랄성이 자연계에 쉽게 찾아볼 수 있는지에 대한 중요한 정보를 제공한다.

금번 연구는 수학적인 방법에 기초하는데, 연구진은 이를 통해 어떠한 결정을 취해 입자가 정확한 결정을 형성하기 위해 입자간에 필요한 힘을 계산할 수 있었다. 이는 자기 조립 시스템을 디자인하기 위해 새로운 기술이다. 한편 금번 연구 결과는 Physical Review Letters에 보고되었다.

연구진은 구축 블럭을 수학적으로 디자인하였다. 동일한 방법을 이용하여 생성된 입자간의 힘은 너무나 복잡해서 실험실에서 구현하는 것이 불가능하지만, 연구진은 현재 다양한 방법을 이용하여 이를 단순화시키는 작업을 진행 중에 있다.

재료 제조에 대한 연구는 현재 자기 조립 물질에 초점이 맞춰져 있다. 가장 큰 영감을 준 재료는 세포로서, 자기 조립과 자기 보상이 동시에 발생한다. 심지어 원자 분자가 상이한 형태의 결합으로 붙어있어도 자발적으로 조립된다.

[그림]
1. 서로의 거울 상 이미지인 두 패턴. 이들의 차이를 관찰하기 위해 여섯 개의 삼각형의 열이 육각형태의 하나에 어떻게 연결되는지를 비교해 볼 수 있음. 이러한 종류의 키랄 패턴은 모든 입자가 동일한 형태임에도 발생함.

2. 두 개의 상이한 거울 상 구조를 갖는 영역은 입자가 구조 내에서 정렬되었을 때 서로 경쟁함. 하나의 키랄 구조는 전체 시스템을 취함.