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한구희 교수팀, 이중 이방성 입자 기반 프랙탈 계층 구조 소재 개발 가능성 제시
- 등록일
- 2026-05-27 10:17
- 작성자
- 관리자
- 조회수
- 233
- 게시기간
- 2026-05-27 ~ 2031-05-31
응용화학공학부 한구희 교수팀은 본교 고분자공학과 최재원 교수, 미국 아르곤국립연구소 Alexey Snezhko 박사와의 국제공동연구를 통해 입자의 모양과 자기적 방향을 독립적으로 제어하고, 이를 이용해 복잡한 계층적 프랙탈 네트워크 구조를 구현하는데 성공했다. 이번 연구 결과는 비선형 과학 및 복잡계 분야의 국제 학술지 Chaos, Solitons and Fractals (IF 5.6, JCR 상위 0.8%)에 온라인 게재됐다.
기존 입자 조립 연구는 주로 둥근 입자나 한 방향으로만 특성이 다른 입자를 사용해 왔다. 이 경우 입자들이 한 줄로 이어지거나 단순하게 쌓이는 구조는 만들 수 있지만, 여러 방향으로 뻗어 나가는 복잡한 네트워크 구조를 정밀하게 만드는 데에는 한계가 있었다.
연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 입자의 모양과 자기적 방향을 독립적으로 조절할 수 있는 새로운 입자 제작 방법을 개발했다. 고분자 필름 안에 자성 입자를 넣고, 할로겐 히터로 가열하면서 필름을 잡아당겨 입자를 길쭉한 타원형으로 만들었다. 동시에 외부 자기장을 걸어 주어, 입자가 어느 특정한 방향으로 자기적 성질을 갖도록 할지도 함께 조절했다.
이렇게 제작된 입자들은 자화 방향에 따라 서로 다른 방식으로 조립됐다. 한 종류의 입자는 일렬로 연결됐고, 다른 종류의 입자는 옆으로 쌓였으며, 두 입자를 함께 섞었을 때는 서로 직각으로 연결되는 가지 구조가 만들어졌다. 이 가지 구조는 입자들이 여러 방향으로 뻗어 나가는 복잡한 네트워크를 형성하는 핵심 역할을 했다.
연구팀은 이러한 구조가 우연히 만들어진 것이 아니라, 입자 수준에서 프로그래밍 된 모양 및 자기적 이방성에 의해 안정적으로 형성된다는 것을 시뮬레이션으로 확인했다. 또한, 현미경 이미지 분석을 통해 조립체의 배열 방향과 네트워크 구조를 정량적으로 비교하고, 다양한 크기 범위에서 구조가 어떻게 뻗어 나가고 연결되는지를 멀티스케일 프랙탈 분석으로 평가했다. 그 결과 두 종류의 입자를 섞은 조립체가 가장 넓고 복잡한 네트워크를 형성했으며, 이는 직각으로 연결되는 가지 구조가 전체 네트워크의 성장과 계층적 구조 형성에 중요한 역할을 한다는 것을 보여준다.
이번 연구는 복잡한 조립 장치나 여러 방향의 복잡한 외부 자극을 사용하지 않고도, 입자 자체의 모양과 자기적 방향을 미리 설계하면 복잡한 계층 구조를 만들 수 있음을 보여줬다. 이러한 접근법은 향후 열을 잘 전달하는 소재, 전기가 잘 통하는 네트워크, 외부 자극에 반응하는 스마트 소재, 입자 기반 센서 등 구조 제어가 중요한 기능성 소재 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대된다
이번 연구에는 경북대 응용화학공학부 차찬욱 석사과정생이 제1저자로, 학석사통합과정 서정재 학생과 학부연구생 박보경 학생이 공동저자로 참여했으며, 고분자공학과 최재원 교수와 응용화학공학부 한구희 교수가 공동 교신저자를 맡았다.
본 연구는 한국연구재단 우수신진연구 및 기초연구실 연구 과제 (2022R1C1C1009769, RS-2023-00218812, RS-2025-00559864)의 지원을 받아 수행되었다.
*Title of original paper: Hierarchical fractal assemblies from dual-anisotropic building blocks fabricated via magnetic field-assisted thermo-mechanical deformation
*Abstract
Precisely controlling particle anisotropy is essential for designing building blocks for colloidal assembly, yet independently programming multi-directional anisotropic particle interactions remains a key challenge in constructing hierarchical architectures. Here, we introduce dual-anisotropic ferromagnetic polystyrene (PS) particles with independently tunable shape and magnetic response. Using a magnetic field-assisted thermo-mechanical deformation platform, shape anisotropy is controlled by mechanically stretching PS particles embedded in a polyvinyl alcohol (PVA) film above their glass transition temperature, while magnetic anisotropy is independently programmed by applying a directional magnetic field during deformation. Under a unidirectional magnetic field, individual batches of these particles assemble into basic head-to-tail chains or side-by-side stacks. Importantly, co-assembling a binary mixture of these distinct building blocks triggers the formation of orthogonal T-junctions, as supported by numerical simulations. These programmable local junctions serve as structural nodes that transcend simple aggregation, driving the emergence of scale-invariant fractal networks. Fourier-space analysis confirms that these unit configurations statistically govern large-scale assembly organization. Fractal and multifractal analyses further reveal that particle-level anisotropy fundamentally controls aggregate connectivity and multiscale structural complexity within assembled networks. This strategy provides a scalable route for constructing fractal assemblies through programmable particle anisotropy, expanding opportunities for designing functional materials with controlled hierarchical architectures.
*Journal: Chaos, Solitons & Fractals
*Web Link: https://doi.org/10.1016/j.chaos.2026.118461
<사진 왼쪽부터 차찬욱 학생(응용화학공학부), 서정재 학생(응용화학공학부), 최재원 교수(고분자공학과), 한구희 교수(응용화학공학부)>
기존 입자 조립 연구는 주로 둥근 입자나 한 방향으로만 특성이 다른 입자를 사용해 왔다. 이 경우 입자들이 한 줄로 이어지거나 단순하게 쌓이는 구조는 만들 수 있지만, 여러 방향으로 뻗어 나가는 복잡한 네트워크 구조를 정밀하게 만드는 데에는 한계가 있었다.
연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 입자의 모양과 자기적 방향을 독립적으로 조절할 수 있는 새로운 입자 제작 방법을 개발했다. 고분자 필름 안에 자성 입자를 넣고, 할로겐 히터로 가열하면서 필름을 잡아당겨 입자를 길쭉한 타원형으로 만들었다. 동시에 외부 자기장을 걸어 주어, 입자가 어느 특정한 방향으로 자기적 성질을 갖도록 할지도 함께 조절했다.
이렇게 제작된 입자들은 자화 방향에 따라 서로 다른 방식으로 조립됐다. 한 종류의 입자는 일렬로 연결됐고, 다른 종류의 입자는 옆으로 쌓였으며, 두 입자를 함께 섞었을 때는 서로 직각으로 연결되는 가지 구조가 만들어졌다. 이 가지 구조는 입자들이 여러 방향으로 뻗어 나가는 복잡한 네트워크를 형성하는 핵심 역할을 했다.
연구팀은 이러한 구조가 우연히 만들어진 것이 아니라, 입자 수준에서 프로그래밍 된 모양 및 자기적 이방성에 의해 안정적으로 형성된다는 것을 시뮬레이션으로 확인했다. 또한, 현미경 이미지 분석을 통해 조립체의 배열 방향과 네트워크 구조를 정량적으로 비교하고, 다양한 크기 범위에서 구조가 어떻게 뻗어 나가고 연결되는지를 멀티스케일 프랙탈 분석으로 평가했다. 그 결과 두 종류의 입자를 섞은 조립체가 가장 넓고 복잡한 네트워크를 형성했으며, 이는 직각으로 연결되는 가지 구조가 전체 네트워크의 성장과 계층적 구조 형성에 중요한 역할을 한다는 것을 보여준다.
이번 연구는 복잡한 조립 장치나 여러 방향의 복잡한 외부 자극을 사용하지 않고도, 입자 자체의 모양과 자기적 방향을 미리 설계하면 복잡한 계층 구조를 만들 수 있음을 보여줬다. 이러한 접근법은 향후 열을 잘 전달하는 소재, 전기가 잘 통하는 네트워크, 외부 자극에 반응하는 스마트 소재, 입자 기반 센서 등 구조 제어가 중요한 기능성 소재 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대된다
이번 연구에는 경북대 응용화학공학부 차찬욱 석사과정생이 제1저자로, 학석사통합과정 서정재 학생과 학부연구생 박보경 학생이 공동저자로 참여했으며, 고분자공학과 최재원 교수와 응용화학공학부 한구희 교수가 공동 교신저자를 맡았다.
본 연구는 한국연구재단 우수신진연구 및 기초연구실 연구 과제 (2022R1C1C1009769, RS-2023-00218812, RS-2025-00559864)의 지원을 받아 수행되었다.
*Title of original paper: Hierarchical fractal assemblies from dual-anisotropic building blocks fabricated via magnetic field-assisted thermo-mechanical deformation
*Abstract
Precisely controlling particle anisotropy is essential for designing building blocks for colloidal assembly, yet independently programming multi-directional anisotropic particle interactions remains a key challenge in constructing hierarchical architectures. Here, we introduce dual-anisotropic ferromagnetic polystyrene (PS) particles with independently tunable shape and magnetic response. Using a magnetic field-assisted thermo-mechanical deformation platform, shape anisotropy is controlled by mechanically stretching PS particles embedded in a polyvinyl alcohol (PVA) film above their glass transition temperature, while magnetic anisotropy is independently programmed by applying a directional magnetic field during deformation. Under a unidirectional magnetic field, individual batches of these particles assemble into basic head-to-tail chains or side-by-side stacks. Importantly, co-assembling a binary mixture of these distinct building blocks triggers the formation of orthogonal T-junctions, as supported by numerical simulations. These programmable local junctions serve as structural nodes that transcend simple aggregation, driving the emergence of scale-invariant fractal networks. Fourier-space analysis confirms that these unit configurations statistically govern large-scale assembly organization. Fractal and multifractal analyses further reveal that particle-level anisotropy fundamentally controls aggregate connectivity and multiscale structural complexity within assembled networks. This strategy provides a scalable route for constructing fractal assemblies through programmable particle anisotropy, expanding opportunities for designing functional materials with controlled hierarchical architectures.
*Journal: Chaos, Solitons & Fractals
*Web Link: https://doi.org/10.1016/j.chaos.2026.118461
<사진 왼쪽부터 차찬욱 학생(응용화학공학부), 서정재 학생(응용화학공학부), 최재원 교수(고분자공학과), 한구희 교수(응용화학공학부)>
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