연성 물질이란 (Soft matter) 무엇이며 이것의 물리학을 연구하는 것이란 어떤 모습일까요?

물리학 분야에서는 연성 응집 물질 (Soft condensed matter), 공학 분야에서는 연성 소재 (Soft materials), 또는 복잡 유체 (complex fluids)라고도 불리는 연성 물질을 한 마디로 정의하기란 쉽지 않습니다. 1991년 노벨 물리학상 수상자인 Pierre-Gilles de Gennes의 말씀을 인용해보자면, 연성 물질이란 큰 반응 함수를 가진 모든 물리화학적 시스템을 아우른다고 말할 수 있겠습니다. 물질의 반응 함수가 크다는 이야기는, 조그만 외부의 영향에도 크게 반응하여 물질의 구조나 동역학이 매우 달라지는 현상을 이야기합니다. 예를 들어, 어떤 고분자는 (polymer) 소량의 특정 화학물질 첨가만으로도 액체처럼 점성을 가지고 흐르던 것이 탄성을 가지는 고무의 형태로 바뀝니다. 우리가 매일 같이 들여다보는 휴대폰의 디스플레이는 액정의 (liquid crystal) 광학적 특성이 배터리로도 충분히 만들 수 있는 전기장만으로도 쉽게 변할 수 있기에 존재합니다.

이와 같은 연성물질의 예는 우리 주변에서 흔히 찾아볼 수 있습니다. 오늘 아침에 만났던 치약 (gel), 화장품 (emulsion), 면도 거품 (foam), 우유 (emulsion), 오렌지 쥬스 (suspension)들은 모두 대표적인 연성 물질인 콜로이드 (colloids)입니다. (두 개 이상의 물질/상들이 분산되어 있는 물질) 위에서 언급한 액정은 (liquid crystal) 디스플레이에서 핵심적인 역할을 하고 있으며, 플라스틱이라 흔히 불리는 고분자 (polymer) 없는 현대 문명은 상상할 수가 없습니다. 사실, 멀리서 찾을 필요도 없습니다. 우리가 먹는 대부분의 음식들과 우리 몸 자체가 (membrane, bio-materials, proteins) 연성물질이니까요.

연성 물질의 물리학을 실험을 통해 연구한다는 것은, 1) 다양한 실험 조건들을 제어 가능한 모델 시스템을 구현하고, 2) 현미경이나 산란법 등을 통해 그 구조와 동역학을 관찰하고, 3) 관찰한 현상을 설명할 수 있는 정량적인 모델을 만들고 이를 검증하는 것입니다. 우리 실험실은 얼핏 보기에 화학 또는 생물 실험실처럼 보입니다. 실험 가운을 입고 흄 후드 안에서 화학약품을 다루고 있거나, 장갑을 낀 채로 파이펫으로 샘플을 덜어 현미경으로 관찰하고 있으니까요.

저희 연구실에서 큰 관심을 가지고 있는 연구 주제 몇 가지를 소개합니다.