Research

POSTECH, 양자교란-측정되돌림성 대한 상호교환 증명

김윤호 교수팀, 양자교란-측정되돌림성 관계 규명 미래형 최첨단 컴퓨터로 불리는 양자컴퓨터*1, 새로운 방식의 통신으로 기대되는 양자통신*2과 같은 양자 정보기술 구현을 위한 실용적인 기준을 마련할 연구결과가 POSTECH(포항공과대학교) 연구팀에 의해 발표됐다. POSTECH 물리학과 통합과정 임향택씨․김윤호 교수팀은 피지컬리뷰레터스(Physical Review Letters)를 통해 양자교란(Disturbance)과 측정되돌림성(Reversibility) 사이에 상호교환(trade-off) 관계가 있다는 사실을 증명했다고 밝혔다. 이와 함께 이들 관계가 갖는 한계를 정량적으로 입증해 가장 많은 정보를 얻을 수 있는 ‘최적의 양자측정’을 구현하는 데도 성공했다. 고전물리학과는 달리, 양자물리학의 관점에서는 측정을 통해 양자시스템에 대한 정보를 얻게 되면 그에 대한 반작용으로 양자의 상태가 변하게 된다. 그리고 이러한 변화에서 측정 전의 상태로 다시 양자의 상태가 복원될 수 있는 확률을 측정되돌림성이라고 부른다. 양자측정을 통해 얻은 정보의 양이 많으면 많을수록 양자 상태가 변하는 정도가 켜지며, 이 경우 측정되돌림성 역시 감소하는 것으로 알려져 있다. 그러나 지금까지는 이러한 관계들에 대해 별개의 것으로 간주, 독립적으로 연구해왔으나, 연구팀은 이 개념들이 서로 밀접하게 연관되어 있다는 것을 증명했다. 다시 말해, 최소한의 상태교란으로 가장 많은 정보를 얻어내는 ‘최소교란측정’은 최대의 측정되돌림성을 가지며, 가장 많은 정보를 얻어낼 수 있지만 그 역(逆)은 성립하지 않는다는 사실을 밝혀냈다. 이번 연구는 양자측정이 갖는 특성에 대해 이해하기 위한 연구로 아쉽게도 실용적인 부분에 적용하기는 어렵지만, 양자정보과학에서 양자상태의 복제 불가원리를 이용하는 ‘양자암호’에도 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 특히 이 측정되돌림성에 대한 개념은 최근 양자정보통신 분야 발전의 걸림돌 중 하나로 지목되는 ‘결어긋남현상’*3을 극복하는데 유용하다는 사실이 밝혀진 바 있다. 연구팀은 이러한 결어긋남 방지 연구에도 도움이 될 것으로 기대한다고 덧붙였다. 1. 양자컴퓨터 기존의 컴퓨터와 달리 한 개의 처리장치로부터 수많은 계산을 동시에 처리할 수 있어 정보처리량과 속도가 종전의 컴퓨터에 비해 월등히 앞선 미래형 최첨단 컴퓨터 2. 양자통신 정보를 빛의 기본입자인 광자의 양자 상태에 실어 전달하는 새로운 방식의 통신. 양자역학적 특성으로 빠른 속도, 정확한 정보전달 등 기존의 통신에 비해 많은 장점이 있음 3. 결어긋남현상 양자계가 결맞음을 잃어버리는 현상을 의미하며, 결맞음이 완전히 없어진 양자계는 양자정보처리에 사용할 수 없음

POSTECH, 양자교란-측정되돌림성 대한 상호교환 증명

김윤호 교수팀, 양자교란-측정되돌림성 관계 규명 미래형 최첨단 컴퓨터로 불리는 양자컴퓨터*1, 새로운 방식의 통신으로 기대되는 양자통신*2과 같은 양자 정보기술 구현을 위한 실용적인 기준을 마련할 연구결과가 POSTECH(포항공과대학교) 연구팀에 의해 발표됐다. POSTECH 물리학과 통합과정 임향택씨․김윤호 교수팀은 피지컬리뷰레터스(Physical Review Letters)를 통해 양자교란(Disturbance)과 측정되돌림성(Reversibility) 사이에 상호교환(trade-off) 관계가 있다는 사실을 증명했다고 밝혔다. 이와 함께 이들 관계가 갖는 한계를 정량적으로 입증해 가장 많은 정보를 얻을 수 있는 ‘최적의 양자측정’을 구현하는 데도 성공했다. 고전물리학과는 달리, 양자물리학의 관점에서는 측정을 통해 양자시스템에 대한 정보를 얻게 되면 그에 대한 반작용으로 양자의 상태가 변하게 된다. 그리고 이러한 변화에서 측정 전의 상태로 다시 양자의 상태가 복원될 수 있는 확률을 측정되돌림성이라고 부른다. 양자측정을 통해 얻은 정보의 양이 많으면 많을수록 양자 상태가 변하는 정도가 켜지며, 이 경우 측정되돌림성 역시 감소하는 것으로 알려져 있다. 그러나 지금까지는 이러한 관계들에 대해 별개의 것으로 간주, 독립적으로 연구해왔으나, 연구팀은 이 개념들이 서로 밀접하게 연관되어 있다는 것을 증명했다. 다시 말해, 최소한의 상태교란으로 가장 많은 정보를 얻어내는 ‘최소교란측정’은 최대의 측정되돌림성을 가지며, 가장 많은 정보를 얻어낼 수 있지만 그 역(逆)은 성립하지 않는다는 사실을 밝혀냈다. 이번 연구는 양자측정이 갖는 특성에 대해 이해하기 위한 연구로 아쉽게도 실용적인 부분에 적용하기는 어렵지만, 양자정보과학에서 양자상태의 복제 불가원리를 이용하는 ‘양자암호’에도 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 특히 이 측정되돌림성에 대한 개념은 최근 양자정보통신 분야 발전의 걸림돌 중 하나로 지목되는 ‘결어긋남현상’*3을 극복하는데 유용하다는 사실이 밝혀진 바 있다. 연구팀은 이러한 결어긋남 방지 연구에도 도움이 될 것으로 기대한다고 덧붙였다. 1. 양자컴퓨터 기존의 컴퓨터와 달리 한 개의 처리장치로부터 수많은 계산을 동시에 처리할 수 있어 정보처리량과 속도가 종전의 컴퓨터에 비해 월등히 앞선 미래형 최첨단 컴퓨터 2. 양자통신 정보를 빛의 기본입자인 광자의 양자 상태에 실어 전달하는 새로운 방식의 통신. 양자역학적 특성으로 빠른 속도, 정확한 정보전달 등 기존의 통신에 비해 많은 장점이 있음 3. 결어긋남현상 양자계가 결맞음을 잃어버리는 현상을 의미하며, 결맞음이 완전히 없어진 양자계는 양자정보처리에 사용할 수 없음

POSTECH, 파킨슨병․암 ‘근본’을 치료하는 약물 개발

임현석교수팀, ‘단백질 상호작용 조절’ 화합물 개발법 제시 대표적인 퇴행성 뇌질환으로 알려진 파킨슨병과 3명 중 한 명이 발병할 정도로 현대인에게 빈번해진 암은 우리 몸을 구성하는 단백질과 단백질의 상호작용이 정상적으로 이루어지지 않아 일어나는 질병으로 알려져 있다. 지금까지는 효소를 이용한 약물로 치료를 주로 해왔지만, 보다 근본적인 치료를 위해 이러한 단백질 상호작용을 돕는 약물에 대한 연구가 활발하게 이루어지는 가운데, POSTECH(포항공과대학교) 연구팀이 단백질 상호작용을 조절하는 화합물을 보다 쉽게 만들어내는 기술을 개발했다. 특히 연구팀은 파킨슨병을 유발하는 단백질의 상호작용을 정상으로 되돌리기 위한 화합물을 세계 최초로 보고해 학계의 관심이 높다. POSTECH 화학과 임현석 교수․오미숙 연구교수, 대구경북첨단의료산업진흥재단 신약개발지원센터 이지훈 선임연구원 팀은 세계적 학술저널인 미국국립과학원회보(PNAS) 최근호를 통해 단백질 상호작용을 통한 치료용 화합물 개발법과 파킨슨병․암 치료용 화합물을 새롭게 제시했다. 특히 연구팀은 이 화합물 개발법을 통해 수천가지 화합물 형태를 수집, 라이브러리를 구축했다. 지금까지 암이나 파킨슨병이 단백질 상호작용의 문제로 발병한다는 사실은 많은 연구를 통해 알려져 왔지만, 단백질 상호작용을 억제 또는 안정화시키는 화합물을 만들기가 어려워 실제로 약물 개발에는 난항을 겪고 있다. 연구팀은 우선 상호작용을 하는 단백질 구조 속 나선구조(α-helix)에 주목했다. 상당수의 단백질들은 이 나선구조를 인식해 다른 단백질과 반응해 작용한다. 이 나선구조의 모양을 모방해 유사한 물질을 만들면 단백질 간의 상호작용이 원활하게 이루어지게도 할 수 있고, 몸에 이롭지 않은 상호작용의 경우에는 상호작용을 막게도 할 수도 있다는 것이 연구팀의 설명이다. 연구팀은 수천 개의 나선구조 유사체 화합물 라이브러리를 이용해서 암을 유발시키는 것으로 알려진 MCL-1의 상호작용을 저해하는 화합물을 개발했으며, 또한 파킨슨병의 원인으로 알려진 알파-시뉴클린(α-synuclein)단백질의 응집체 형성을 억제하는 화합물을 개발하였다. 특히 연구팀이 개발한 알파-시뉴클린의 안정화를 통해 응집체 형성을 저해하는 화합물은 파킨슨병 치료 연구에서는 처음으로 이뤄낸 성과로 알려졌다. 연구를 주도한 임현석 교수는 “새로운 개념의 항암제 연구도 수행 중이지만, 특히 파킨슨병과 관련된 이 화합물은 새로운 개념의 파킨슨병 치료제로서 개발을 진행해 나갈 예정”이라고 밝혔다. 한편, 이번 연구는 미래창조과학기술부․한국연구재단과 포스코의 지원을 통해 수행됐다.

POSTECH, 위․장 내시경 대신 “빛으로 만든 영상으로 검진하는 시대 온다”

창의 김철홍 교수, 유기나노입자 이용한 광음향 소화기관 의료영상 개발 우리나라 사람들이 10명 중 2명은 앓고 있는 위염이나 위궤양 등과 같은 소화기 질환을 진단하기위해서는 흔히 내시경이 사용된다. 하지만, 몸속에 내시경 기기를 넣지 않고도 엑스레이를 찍는 것처럼 기기에 찍기만 해도 실시간으로 위와 장 같은 소화기관들의 연동운동을 바로 찍을 수 있는 기술이 POSTECH(포항공과대학교)와 미국 연구팀의 공동연구로 개발됐다. POSTECH 창의IT융합공학과 김철홍․전만식 교수팀은 미국 버팔로 뉴욕주립대 조나단 로벨(Jonathan Lovell)․위스콘신주립대 웨이보 카이(Weibo Cai) 교수 연구팀과 공동으로 차세대 광음향의료영상기기와 맞춤형 유기 나노입자를 이용해 세계 최초로 비침습․비방사선․고감도․고해상도소화기관 영상 기술을 개발하고, 생체 내 영상 촬영에 성공했다. 세계적 학술지 네이처(Nature)의 자매지인 네이처 나노테크놀로지(Nature Technology) 온라인판 6일자(현지시간)에 게재된 이 연구성과는 인체에 해를 주지 않으면서 기존에 사용되던 영상 촬영 방법보다 간단하게 소화기관의 영상을 촬영할 수 있는 차세대 기술로서 학계의 주목을 모으고 있다. 번개가 치면 천둥소리가 들려오는 현상과 동일한 광음향은 물질이 빛을 흡수하면 광에너지가 열로 변하는 단계에서 기체에 음파가 발생하는 현상이다. 이 현상을 이용한 광음향 의료 영상기술은2016년 1억 2천만 달러 규모로 확대될 것으로 전망되는 차세대 기술이다. 짧은 펄스의 레이저를 생체조직을 투사하면 광음향 신호가 발생되고, 이 신호는 기존의 초음파기기를 통해 감지된다. 이 기술은 실제 사람의 눈이 감지할 수 있는 다양한 색깔을 볼 수 있을 정도로고감도일 뿐 아니라, 내시경 등의 기기를 몸에 넣지 않고도 인체 내 깊은 곳까지 볼 수 있는 유일한기술이다. 무엇보다 방사선을 사용하지 않는다는 점에서 엑스레이나 CT에 비해 안전하고, MRI와 달리 값싼레이저와 초음파 기반의 기술로 제공해 촬영하며 바로 영상으로 구현해낼 수 있다는 점에서 큰 장점을 가진다. 연구팀은 식약청의 허가를 받은 계면활성자를 이용, 광음향 장치를 위한 20나노미터 크기의 유기나노입자(나노냅, nanonaps)를 개발했으며, 이 입자를 이용, 실시간 광음향․초음파 융합 영상기기를 이용해 생체 내 소화기관의 구조, 생리학적 기능을 고감도, 고해상도의 영상으로 구현하는데 성공했다. 특히 연구팀이 개발한 나노냅은 독성이 없을 뿐 아니라, 소화관에 흡수되지 않고 대부분 대변으로배출돼 생체 내에 축적되지 않는 것으로 확인됐다. 연구를 주도한 김철홍 교수는 “이번 연구는 신개념의 나노입자와 광음향․초음파 융합영상기기를이용해 세계 최초 소화기관 영상에 성공한 것”이라며 “광음항 영상의료기기 시장이 급속도로 성장하고 있는 만큼 국내 우수한 기업들의 개발이 시급하며, 아직 동물 실험에 머무르고 있지만 임상 실험으로 한 단계 더 나아가야 할 것”이라고 덧붙였다. 한편, 이번 연구는 미래창조과학부의 IT명품인재양성사업과 선도연구센터(ERC)사업의 지원을 받아 수행됐다.

POSTECH-시카고대, Wnt 단백질-콜레스테롤 신호전달 메커니즘 규명

“콜레스테롤은 몸 속 ‘신호등’” 흔히 해롭다고 생각하는 콜레스테롤은 사실 호르몬이나 소화액의 재료가 되는 등 우리 몸속에 없어서는 안 될 영양소 중 하나다. 그런데 이 콜레스테롤이 태아의 기형이나, 암 발병 등의 신호를 조절하는 ‘신호등’ 역할을 한다는 연구결과가 POSTECH(포항공과대학교)-미국 일리노이대 연구팀을통해 발표됐다. POSTECH 생명과학과 한진관 교수․미국 일리노이대 조원화 교수팀은 최근 발매된 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)지를 통해 세포막에 있는 콜레스테롤이 다양한 생물학적 현상을 조절하는 윈트(Wnt) 신호에 필수적인 역할을 한다는 사실을 최초로 발표했다. 척추동물의 발생이나 세포의 분열과 분화, 줄기세포의 유지와 같은 생물학적 현상들은 Wnt라는이름을 가진 단백질이 베타-카테닌에 의한 전형적(canonical) 신호전달과 베타-카테닌에 의하지 않은 비전형적(noncanonical)신호전달 등 2개 신호전달 체계를 조절함으로써 이루어진다. 이 신호전달이 정상적으로 이루어지지 않으면 태아가 기형이 되거나, 성인의 경우에는 암이 유발될 수도 있다. 이 때문에 ‘Wnt 신호전달체계’는 암 발병을 알리는 ‘발암신호’로도 알려져 있다. 하지만, 이 서로 다른 두 신호전달 체계 중 하나를 선택적으로 택하여 조절할 수 있도록 하는 메커니즘은 알려진 바가 없었다. 공동 연구팀은 생화학적․발생학적 분석을 통해 세포막에 위치한 콜레스테롤이 신호전달체계에서핵심적인 Dvl 단백질과 결합함으로써, 신호전달체계에 필요한 여러 단백질들을 세포막들로 유도해신호체계가 베타-카테닌에 의한 전형적(canonical) 신호전달로만 선택적으로 일어나도록 한다는 사실을 밝혀냈다. 즉, 콜레스테롤이 기존에 알려져 있던 것처럼 세포막을 구성하는 역할에 그치는 것이 아니라, 마치‘신호등’처럼 세포 속에서 일어나는 신호를 조절하는데 적극적으로 관여한다는 사실을 새롭게 제시한 것이다. 이 연구성과는 특히 ‘발암신호’를 미연에 억제할 수 있도록 하는 새로운 개념의 신약 개발에도 응용될 수 있을 것으로 기대된다. 한편 이 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자 지원사업 등의 지원을 받아 수행됐다.

국내 연구진, 3D프린터로 인공장기 찍는 시대 “앞당긴다”

조동우 교수팀, 인공 장기 제작 위한 바이오잉크 개발 성공 ‘인쇄’ 버튼을 누르면 신발이나 장난감을 뚝딱하고 만들어내 새로운 사업을 창출해낼 것으로 기대를 모으고 있는 3D 프린터. 이 프린터를 이용해 인체의 장기(臟器)를 만들어 낼 수 있는 시대가 가까워지고 있다. POSTECH 기계공학과 조동우 교수 연구팀의 박사 후 연구원 Falguni Pati, 융합생명공학부 박사과정 장진아 씨, 가톨릭의대 성형외과 이종원 교수, 이비인후과 김성원 교수, 한국산업기술대 기계공학과 심진형 박사, 미국 워싱턴 대학 김덕호 교수 공동 연구팀은 실제 조직과 동일한 성분으로 이루어진 탈세포화된 조직*1을 이용, 인공 조직을 만들 수 있는 3D 세포 프린팅용 바이오 잉크를 개발하는 데 성공했다. 다학제간 연구분야 국제학술지 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)지 2일자 온라인 판에 게재된 이 연구는 간단한 세포 조직 뿐만 아니라 장기 제작까지 가능하게 할 것으로 기대된다. 3D 세포 프린팅 기술은 살아있는 세포와 생체적합성 재료를 이용해 실제 조직과 유사한 외형과 구조를 가진 기능성 인공조직을 제작하는 기술로, 인공조직을 만들기 위해서는 3D 프린터로 분사할 수 있는 바이오 잉크*2와 형태를 유지할 수 있도록 하는 생체 적합성 고분자가 필요하다. 기존에는 콜라겐이나 체외유래 재료로 만들어진 하이드로젤을 바이오잉크로 사용했지만, 이 재료는 실제 조직이 가진 복잡하고 다양한 세포외 기질*3을 모사하는데 한계가 있었다. 연구팀은 탈세포화 된 조직으로 바이오 잉크를 만들고, 여기에 재생하고자 하는 조직에 맞는 중간엽 줄기세포*4를 넣어 3D 세포 프린팅 기술로 인공 조직을 만들었다. 이는 기존의 콜라겐을 이용하여 제작한 인공 조직에 비해 세포분화가 활발하게 이루어지는 것으로 확인됐다. 이번 연구결과는 3D 세포프린팅 기술로 단순히 조직의 외형을 모사하는 기존 연구를 넘어 장기가 손상되어 재생이 필요한 조직에 최적화된 환경을 제공, 만들고자 하는 목적 조직(target tissue)으로 분화할 수 있도록 하는데 핵심 요소가 될 것으로 예상되고 있다. 연구를 주도한 조동우 교수는 “이 연구를 바탕으로 각 조직에 적합한 바이오잉크를 개발하면,간단한 기능을 하는 조직뿐만 아니라 실제 장기도 제작할 수 있을 것”이라며 “향후에는 이를 임상에 적용해 손상된 장기를 재생하는데 활용할 수 있을 것”으로 내다봤다. 한편, 이 연구는 미래창조과학부 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업(창의적연구)의 지원으로 수행 됐다. 1. 탈세포화된 조직 실제 조직이나 장기에 여러 가지 화학물질로 처리해 세포만 제거한 조직으로 대부분의 세포외 기질과 고유한 구성비를 그대로 유지, 조직 재생을 위한 생체적합성 재료로 각광받고 있다. 2. 바이오잉크 3D 세포 프린팅 기술을 이용, 인공 조직을 제작할 때 세포를 넣어 분사하는 재료로 분사가 가능한 점도, 형태를 유지할 수 있는 기계적 강도를 지녀야 하며, 물론 생체 적합성을 가지고 있어야 한다. 콜라겐, 알지네이트 등의 하이드로젤이 주로 사용된다. 3. 세포외 기질 조직 내 또는 세포외의 공간을 채우고 있는 생체고분자의 복잡한 집합체. 4. 중간엽 줄기세포 성체에서 분리한 다능성 세포로 골수, 지방, 하비갑개 등에서 추출되며 분화가 안정적으로 이루어져 암세포로 변이를 일으킬 가능성이 없고 이미 임상 적용이 가능한 단계까지 와 있다. 그림 1.탈세포화 된 조직을 사용하여 3차원 세포 프린팅 된 인공 조직의 제작 과정 및 이의 다양한 분야로의 적용 탈세포화 된 조직을 사용한 3차원 세포 프린팅의 전 과정을 소개한다. 세포와 바이오잉크를 섞어 고분자 틀 사이사이에 분사하는 과정을 반복하여 3차원의 형상을 제작할 수 있다. 제작 된 인공 조직은 조직 재생, 약물 검출용 디바이스 및 체외 질병 모델로 사용이 가능할 것으로 예측된다. 그림 2.탈세포화 된 조직으로 이루어진 바이오잉크를 사용하여 프린팅 된 다양한 인공 조직 그림 2는 탈세포화 된 조직으로 이루어진 바이오잉크를 사용하여 제작 된 다양한 인공 조직을 보여준다. 피부나 심근조직 등의 유연한 조직의 재생을 위해 하이드로젤과 세포로만 이루어진 인공 조직을 구현할 수 있고, 골, 연골 및 큰 부피를 지니는 지방 조직 등의 재생을 위해 3차원의 형상을 효과적으로 유지할 수 있는 3차원 고분자 프레임을 포함한 인공 조직을 제작할 수 있다.

POSTECH, “손 끝으로도 ‘화음’ 느낄 수 있다”

컴공 최승문 교수팀, 진동 화음과 협화도 연구 발표 흔히 휴대폰 매너모드나 스마트폰을 터치했을 때 휴대폰의 반응을 알려주는 ‘진동’. 대체로 ‘부르르’하고 떨리는 진동을 떠올리지만, 스마트폰의 경우 리듬을 활용한 ‘진동 벨’처럼 다양한 진동들이 사용된다. 이런 진동에서 음악과 같은 화음을 느낄 수 있다면 일반 사용자 뿐만 아니라 청각장애인과 같이 소리를 듣기 어려운 이들에게도 유용하게 활용될 수 있다. POSTECH 컴퓨터공학과 최승문 교수․통합과정 유용재씨 팀은 음악에 흔히 사용되는 ‘화음’ 개념을 빌려, 여러 주파수를 가지는 진공에 대한 인간의 인지특성을 알아보는 연구결과를 햅틱기술 관련 권위지인 IEEE 트랜잭션tm온햅틱스(IEEE Transactions on Haptics)지를 통해 발표했다. 음악에서 ‘화음’은 2개 이상의 음정이 동시에 연주되는 것을 의미하는데, 화음이 서로 어울리는 정도를 ‘협화도(consonance)’라고 부른다. 이 개념을 진동에 응용하면 서로 다른 2개 이상의 주파수가 동시에 재생되는 것을 ‘진동 화음’으로 만들 수 있다. 연구팀은 40명의 실험자들을 대상으로 인지실험을 통해 80개의 다른 진동 화음을 경험하도록 했으며, 이에 따른 협화도를 측정, 경향을 분석했다. 그 결과 진동화음을 구성하는 두 진동의 주파수차, 즉 맥놀이 주파수(beat frequency)*1와 협화도가 높은 상관관계를 나타냈을 뿐 아니라,이 변화양상 역시 음악에서 보는 협화도와 아주 유사하다는 사실을 확인해냈다. 또한, 음악에서 화음을 느끼는 것처럼 맥놀이 주파수가 낮을수록 협화도가 낮아지고 불쾌하게 느끼며, 맥놀이 주파수가 높아질수록 협화도가 높고 편안하게 느낀다는 결과를 통해, 진동화음에서도 편안함을 느끼는 화음, 혹은 ‘불협화음’이 있다는 것 역시 연구팀은 밝혔다. 이 연구는 특히 손끝을 통해 느껴지는 ‘햅틱(haptic)’ 자극에서 어울림의 정도를 나타내는 ‘협화도’의 개념을 처음으로 제시하는 한편, 이를 체계적으로 조사했다는 점에서 학계의 눈길을 모았으며, 특히 제1저자인 유용재씨가 학부시절에 과제연구를 위해 진행했던 연구라는 점도 화제가 됐다. 특히 이 연구는 스마트폰을 비롯한 태블릿 등 각종 스마트기기에 적용, 다양한 진동을 만들어낼 수 있으며 이를 통해 다양한 정보를 전달할 수 있는 것은 물론, 스마트기기의 어플을 통해 다양한 경험을 할 수 있게 할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다. 1. 맥놀이 주파수 주파수가 비슷한 두 파가 중첩이 되면 진폭의 포락선이 주기적으로 변해 진폭이 커졌다가 작아졌다하는 것을 맥놀이라고 한다. 음악에서는 악기를 조율하는데 이용한다.

POSTECH, 제올라이트 속에 숨은 ‘비밀’ 찾았다

홍석봉 교수팀, 제올라이트 골격원소 동역학적 거동 규명 성공 정밀화학, 석유화학 등에 촉매제로 활용되는 나노다공성 물질 제올라이트. 그 내부에 골격원소들의 분포가 다르면 그 특성 또한 달라지기 때문에 학계에서는 제올라이트 내 골격원소들의 위치와 분포를 명확히 규명하기 위한 연구가 끊임없이 진행되고 있다. 이런 가운데 POSTECH(포항공과대학교) 연구팀이 이들 원소들의 움직임을 처음으로 밝혀내 세계적 화학 학술지인 ‘안게반테 케미(Angewandte Chemie)’ 온라인판을 통해 발표했다. 이 논문은 상위 5%의 중요도를 갖는 주요논문으로 평가받았다. POSTECH은 이 대학 환경공학부·화학공학과 홍석봉 교수·신지호 박사·박사과정 안락호씨 연구팀이 실리콘(Si)과 알루미늄(Al)으로 구성된 NAT 구조*1의 제올라이트를 처음으로 합성, 제올라이트의 골격 속 원소들의 동역학적 움직임을 규명하는데 성공했다고 밝혔다. 촉매제로 중요하게 활용되는 제올라이트는 특히 물질의 골격을 이루고 있는 알루미늄의 양에 의해 결정되지만, 양이 같아도 분포가 다르면 제올라이트의 물리화학적 특성이 바뀌어 촉매제로서의 특성 역시 달라진다. 특히 제올라이트가 결정화된 직후에는 제올라이트의 골격원소들이 무질서하게 분포되어 있다가 시간이 흐름에 따라 이 원소들이 점점 규칙적으로 분포되는 현상에 대해서는 더욱 구체적으로 밝혀진 바가 없다. 연구팀은 최근 자연계에는 존재하지만 인위적인 합성은 학계에 보고된 적이 없는, 실리콘과 알루미늄으로 이루어진 NAT 구조의 제올라이트 합성에 성공, 이를 제올라이트의 또다른 골격 원소로 알려진 갈륨(Ga)을 포함한 화합물과 반응시켰다. 그 후 투과전자현미경과 고체 NMR 분석법을 통해 제올라이트 속 갈륨원자의 분포 변화를 관찰했다. 그 결과, 결정화 초기에는 제올라이트 외부 표면에만 집중적으로 분포되어 있던 갈륨이 시간이 지나면서 차츰 제올라이트 결정 안으로 이동하고, 결국 결정 속에서 균일하게 분포되는 현상을 확인하였다. 이를 통해 제올라이트 속 골격원소들이 제올라이트의 세공을 통해 점차 확산되는 것이 아니라 원소들 간의 자리 이동을 통해 열역학적으로 안정한 곳에 규칙적으로 위치하게 된다는 결과를 명확하게 얻을 수 있었다고 연구팀은 덧붙였다. 연구를 주도한 홍석봉 교수는 “이번 연구성과는 앞으로 제올라이트 속 골격원소들의 위치와 분포 특성을 이해하는데 중요한 단서를 제공하는 한편 원하는 용도에 따라 제올라이트의 물리화학적 특성을 인위적으로 조절해 기존 물질과는 전혀 다른 새로운 물성을 가지는 제올라이트를 개발하기 위한 선행연구로 매우 중요한 결과로 평가할 수 있다”고 밝혔다. 한편 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업(창의적연구)와 POSCO의 지원을 받아 수행됐다. 1. NAT 구조 내트로라이트는 1800년도 초에 천연제올라이트로서 그 존재가 처음으로 확인되었으며, 이후 갈륨(Ga)과 게르마늄(Ge)을 이용한 합성 내트로라이트가 학계에 보고되었다. 1930년대 초반에X-선 회절법의 등장과 함께 폴링(Pauling)과 테일러(Taylor)에 의해 결정구조의 해석이 이루어졌음에도 불구하고, 지금까지도 이 물질은 독특한 물리화학적 특성과 매우 유연한 결정 구조로 인해 꾸준히 주목을 받고 있다. 이 제올라이트는 산소 원자 8개, 9개 고리로 구성된 작은 세공(Small pore) 제올라이트에 속하며, 대부분이 긴 바늘 모양의 결정으로 이루어져 있는 침상형 물질이다. 그림 1. NAT 제올라이트 구조 (Si 또는 Al은 청색, 골격 내 O는 분홍색, 골격 외 물 분자의 O는 초록색, Na는 노란색)

POSTECH “피펫 팁” 의 비밀을 밝히다

김동성교수팀, 그래핀 이용해 물방울 전하량 줄일 수 있는 피펫 팁 개발 의학, 생명과학, 화학 등의 연구에 가장 흔하게, 또 가장 중요하게 사용되는 연구장비 중 하나인 피펫. 피펫은 정확하게 액체방울을 내보내야 하는 정밀한 연구에 필수적으로 활용된다. 작년 POSTECH(포항공과대학교) 기계공학과 김동성 교수․박사과정 최동휘씨 연구팀은 피펫 팁에서 토출되는 물방울이 상당한 양의 전하량을 자연적으로 띄게 됨으로써, 피펫을 기반으로 수행되는 많은 실험들에서 부정적인 영향을 초래할 가능성이 있다는 사실을 ‘네이처(Nature)’의 자매지인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’를 통해 학계에 처음으로 보고한 바 있다. 이러한 문제점을 해결할 새로운 피펫 팁(tip)이, 처음 이 문제를 학계에 보고했던 김동성 교수, 최동휘 연구원이 추가적으로 진행한 연구를 통해 개발돼 학계의 관심을 모으고 있다. 연구팀은 추가연구를 통해 물이 고체표면과 접촉할 때, 고체 표면의 제타전위*1가 전하량과 큰 관련이 있다는 사실을 밝혀내고, 이 제타전위가 낮은 그래핀 합성물질을 종래의 피펫 팁 내부에 코팅하여 새로운 개념의 피펫 팁, ‘제타 피펫 팁’을 제작해냈다. 연구팀은 토출된 물방울의 전하량을 줄여줌으로써 종래 피펫 팁을 사용하였을 때 나타날 수 있는 여러 가지 예기치 못한 현상들을 효과적으로 해결할 수 있음을 보여주어, 피펫팅이 응용되는 약학, 생명과학, 화학 등 여러 분야에 큰 파급효과가 있을 것으로 기대하고 있다. 물리화학분야 권위지인 ‘랭뮤어(Langmuir)’지를 통해 발표된 이 연구성과는미국화학회 저널 편집장들이 선정하는 ACS Editors’ Choice 에 6월 9일의 ‘오늘의 논문’으로 선정되었다. ACS Editors’ Choice는 미국화학협회 (ACS, American Chemical Society)에서 출판되는 다양한 저널들에 출판되는 논문들 중 매일 하나의 논문을 선정하여 누구나 자유롭게 논문을 읽어볼 수 있는 기회를 제공하고 있다. 본 연구는 또한 미국화학회가 발간하는 ‘케미컬앤엔지니어링뉴스(Chemical & Engineering News)’를 통해서도 다시 한 번 조명 될 예정이다. 한편, 이 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업(도약연구), 선도연구센터육성사업(ERC)의 지원으로 수행되었다. 1. 제타전위 액체가 대부분의 고체 표면과 접촉할 때 고체 표면 극성기의 해리에 의해 유도되는 표면 전위.

POSTECH, 제올라이트 속에 숨은 ‘비밀’ 찾았다

홍석봉 교수팀, 제올라이트 골격원소 동역학적 거동 규명 성공 정밀화학, 석유화학 등에 촉매제로 활용되는 나노다공성 물질 제올라이트. 그 내부에 골격원소들의 분포가 다르면 그 특성 또한 달라지기 때문에 학계에서는 제올라이트 내 골격원소들의 위치와 분포를 명확히 규명하기 위한 연구가 끊임없이 진행되고 있다. 이런 가운데 POSTECH(포항공과대학교) 연구팀이 이들 원소들의 움직임을 처음으로 밝혀내 세계적 화학 학술지인 ‘안게반테 케미(Angewandte Chemie)’ 온라인판을 통해 발표했다. 이 논문은 상위 5%의 중요도를 갖는 주요논문으로 평가받았다. POSTECH은 이 대학 환경공학부·화학공학과 홍석봉 교수·신지호 박사·박사과정 안락호씨 연구팀이 실리콘(Si)과 알루미늄(Al)으로 구성된 NAT 구조*1의 제올라이트를 처음으로 합성, 제올라이트의 골격 속 원소들의 동역학적 움직임을 규명하는데 성공했다고 밝혔다. 촉매제로 중요하게 활용되는 제올라이트는 특히 물질의 골격을 이루고 있는 알루미늄의 양에 의해 결정되지만, 양이 같아도 분포가 다르면 제올라이트의 물리화학적 특성이 바뀌어 촉매제로서의 특성 역시 달라진다. 특히 제올라이트가 결정화된 직후에는 제올라이트의 골격원소들이 무질서하게 분포되어 있다가 시간이 흐름에 따라 이 원소들이 점점 규칙적으로 분포되는 현상에 대해서는 더욱 구체적으로 밝혀진 바가 없다. 연구팀은 최근 자연계에는 존재하지만 인위적인 합성은 학계에 보고된 적이 없는, 실리콘과 알루미늄으로 이루어진 NAT 구조의 제올라이트 합성에 성공, 이를 제올라이트의 또다른 골격 원소로 알려진 갈륨(Ga)을 포함한 화합물과 반응시켰다. 그 후 투과전자현미경과 고체 NMR 분석법을 통해 제올라이트 속 갈륨원자의 분포 변화를 관찰했다. 그 결과, 결정화 초기에는 제올라이트 외부 표면에만 집중적으로 분포되어 있던 갈륨이 시간이 지나면서 차츰 제올라이트 결정 안으로 이동하고, 결국 결정 속에서 균일하게 분포되는 현상을 확인하였다. 이를 통해 제올라이트 속 골격원소들이 제올라이트의 세공을 통해 점차 확산되는 것이 아니라 원소들 간의 자리 이동을 통해 열역학적으로 안정한 곳에 규칙적으로 위치하게 된다는 결과를 명확하게 얻을 수 있었다고 연구팀은 덧붙였다. 연구를 주도한 홍석봉 교수는 “이번 연구성과는 앞으로 제올라이트 속 골격원소들의 위치와 분포 특성을 이해하는데 중요한 단서를 제공하는 한편 원하는 용도에 따라 제올라이트의 물리화학적 특성을 인위적으로 조절해 기존 물질과는 전혀 다른 새로운 물성을 가지는 제올라이트를 개발하기 위한 선행연구로 매우 중요한 결과로 평가할 수 있다”고 밝혔다. 한편 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업(창의적연구)와 POSCO의 지원을 받아 수행됐다. 1. NAT 구조 내트로라이트는 1800년도 초에 천연제올라이트로서 그 존재가 처음으로 확인되었으며, 이후 갈륨(Ga)과 게르마늄(Ge)을 이용한 합성 내트로라이트가 학계에 보고되었다. 1930년대 초반에 X-선 회절법의 등장과 함께 폴링(Pauling)과 테일러(Taylor)에 의해 결정구조의 해석이 이루어졌음에도 불구하고, 지금까지도 이 물질은 독특한 물리화학적 특성과 매우 유연한 결정 구조로 인해 꾸준히 주목을 받고 있다. 이 제올라이트는 산소 원자 8개, 9개 고리로 구성된 작은 세공(Small pore) 제올라이트에 속하며, 대부분이 긴 바늘 모양의 결정으로 이루어져 있는 침상형 물질이다. 그림 1. NAT 제올라이트 구조 (Si 또는 Al은 청색, 골격 내 O는 분홍색, 골격 외 물 분자의 O는 초록색, Na는 노란색)