"DNA는 왜 꼬여 있나"…韓 과학자들, 수수께끼 풀 실마리 발견

UNIST 정준우 교수팀, 꼬인 액정 속에 존재하는 결함을 위상수학으로 해석
DNA 같은 다양한 카이랄성 물질의 위상학적 결함 이해 도움

[아시아경제 김봉수 기자] 울산과학기술원(UNIST)은 정준우 물리학과 교수팀이 액정(카이랄 액정)에서 새로운 결함 구조를 발견해 위상수학으로 해석하는 데 성공했다고 23일 밝혔다. 기존의 액정 연구에 활용되는 위상수학 이론으로는 발견된 액정의 위상학적 결함을 설명할 수 없었다.

연구팀은 ‘카이랄 위상 불변 값’을 새롭게 제시해 발견된 결함의 위상학적 형태를 설명할 수 있었다. 또 실험한 카이랄 액정의 특수 탄성 때문에 이 같은 위상학적 결함이 발생한다는 사실도 밝혀냈다.

위상수학은 물질의 기하학적 형태가 바뀔 때 보존되거나 불연속적으로 변하는 특성을 연구하는 분야다. 물질의 형태 등을 수학적 데이터로 표현하기 때문에 우주물리학, 인공지능 같은 다양한 분야에 쓰인다. 물질의 자성, 전도성 변화와 같은 물리적 현상을 위상수학으로 설명한 연구가 2016년에 노벨 물리학상을 타기도 했다.

실험에 쓴 카이랄 크로모닉 액정은 아주 가는 원통 관에 들어가면 액정 분자들이 나선형 계단처럼 꼬여서 배열되는 특성이 있다. 이때 왼쪽 또는 오른쪽의 꼬임방향(카이랄성)을 갖는데, 그 확률이 같아 각 방향의 꼬임을 갖는 구조(domain)들이 하나의 원통에 공존한다. 이 상태에서 카이랄성 물질을 첨가하면, 첨가된 카이랄 물질의 꼬임 방향에 맞춰 액정의 꼬임 방향이 하나로 통일된다.

연구팀은 이 상태에서 카이랄 물질을 더 첨가하면 액정에 예기치 못한 형태의 위상학적 결함이 생기는 것을 발견했다. 꼬인 방향은 같지만 회전 각도가 90도와 270도로 다른 두 구조가 만나 생기는 결함이었다. 기존 액정 연구에 쓰인 위상수학 이론은 90도 회전한 구조와 270도 회전한 구조를 구분하지 못하기 때문에 결함이 실험적으로 관찰됨에도 불구하고 이를 위상수학의 언어로 표현할 수가 없었다.

제1 저자인 은종희 UNIST 물리학과 연구원은 “실험과 이론 그룹간의 집요한 공동 노력 덕분에 우연한 관찰이 새로운 과학적 발견으로 이어졌다”라며 “이번 발견은 액정 연구뿐만 아니라 의학이나 바이오 분야에서 다양한 카이랄 물질에 대한 이해를 높이는 데 도움이 될 것”이라고 밝혔다.

정준우 교수는 “위상수학으로 물질 특성을 설명하는 것이 최근 물리학의 연구 추세”라며 “위상수학을 통해 물질에 생긴 결함을 이해하게 되면, 물질에 특정 성능을 부여하기 위해 필요한 결함을 인위적으로 설계하는 데 도움이 될 것”이라고 설명했다.

이 연구는 영국의 더럼 대학(Durham university), 브리스틀 대학(University of Bristol)과 공동연구로 이뤄졌다. 미국 국립과학원회보(PNAS)에 지난 17일자 표지 논문으로 출판됐다.

<용어 설명>

▲크로모닉 액정 = 물에 일정 농도 이상의 다환성 방향족 화합물을 녹였을 때, 자발적으로 액정 상을 생성하는 물질이다. 판 형태의 분자들이 비공유결합성 인력에 의해 차곡차곡 쌓여서 막대 모양의 응집체를 만들고, 이 응집체들이 배향하여 액정 상을 형성하는 원리이다. 물을 용매로 하고, 생체친화적이다는 특징으로 바이오메디컬 분야에서의 응용 가능성으로 큰 주목을 받고 있으며, 액정 물리학에서도 그 특이한 탄성 특성으로 주목을 받고 있다.

▲카이랄성 (Chirality) = 자신의 거울 상과 겹치지 않는 구조적 특성을 일컫는 용어로, 물리, 화학, 생물학 등 다양한 분야에서 중요한 연구 주제이다. 카이랄성을 가지는 구조의 대표적인 예가 유전 정보를 담고 있는 DNA이다. 이중 나선 구조를 가지는 DNA는 대부분 오른손 꼬임을 가지고, 그 거울상인 왼손 꼬임 이중 나선과는 같은 듯 다르다. 즉 같은 화학 조성은 같지만, 둘은 겹쳐지지 않는다.

▲위상학적 결함 (Topological defect) = 규칙이 있는 구조에는 규칙이 지켜지지 않는 결함이 존재할 수 있다. A로만 이루어진 구조에 B라는 불순물이 들어가는 경우를 예로 들 수 있다. 이런 불순물 결함과는 달리, 시스템의 경계조건에 의해 생성되는 결함들이 있고 이들은 경계조건에 의해 위상수학적으로 반드시 존재할 수밖에 없어서 위상학적 결함이라 불린다. 즉, 불순물 결함의 경우, 불순물을 제거하면 결함이 제거되지만, 위상 결함은 경계조건을 완전히 바꾸지 않는 이상 결함이 항상 존재한다. 결정 구조에 존재하는 전위(dislocation)가 위상 결함의 예이다. 액정의 경우, 경계조건에 따라 액정 분자들의 정렬 방향을 정의할 수 없는 특이점에 위상학적 결함이 발생한다. 액정의 결함은 다양한 응집물질의 위상학적 결함을 연구하기 위한 모델 시스템으로 널리 이용되고, 결함을 제어하면 다양한 광학적, 화학적 응용에 사용할 수 있기도 하다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr