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무아레 무늬는 주기적인 두 격자 구조가 겹쳐졌을 때 약간의 비틀림(회전각)이나 격자 간 불일치로 나타나는 간섭 무늬이다. 일상 생활에서 모기장을 두 겹 겹치거나, 화면을 카메라로 촬영할 때 생기는 물결무늬가 대표적인 사례다.
연구팀은 MOF의 높은 설계 자유도를 활용했다. MOF는 금속 이온과 유기 분자가 그물망 형태로 결합한 나노물질로, 유기물의 종류와 길이를 바꿔 그물망의 크기와 간격을 조절할 수 있다.
연구팀은 지르코늄 기반의 종이처럼 얇은 MOF층을 만들고, 위아래의 MOF 층이 엇갈리도록 다른 각도로 겹쳐 쌓았다. 투과전자현미경으로 관찰한 결과, 두 MOF 층의 엇갈린 각도와 유기 분자의 길이에 따라 무늬의 형태와 주기가 달라지는 것을 확인했다.
무아레 무늬 속에 숨겨진 준주기적 대칭 구조도 수학적 분석으로 드러났다. 두 MOF 층을 30도 회전시켰을 때 고딕 성당의 스테인드글라스나 모스크의 아라베스크 장식에서 볼 수 있는 12각형 대칭 구조인 ‘스템플리 타일링(Stampfli tiling)’ 패턴이 나타났다. 연구팀은 이 무늬들이 안정적인 구조인지도 이론적으로 검증했다.
최원영 교수는 “MOF는 분자 단위로 구조를 설계할 수 있어 다이얼을 돌리듯 무아레 주기를 자유자재로 조절할 수 있다”며 “이번 성과가 트위스트로닉스(두 층의 물질을 비틀어 쌓았을 때 생기는 무아레 패턴을 이용해 전자 특성을 조절하는 기술)나 새로운 종류의 양자 물질 활용의 물꼬를 열었다“고 말했다.
연구 결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)에 8월 13일자로 게재됐다.
