Research

화공 이건홍, 이보람 교수팀, ‘불타는 얼음’ 속 불안정한 수소 저장 新기술 나왔다

가스하이드레이트에 수소저장 원천기술 개발 미세먼지로 인해 환경에 대한 관심이 급증한 요즈음, ‘친환경차’인 수소차에 대한 수요도 부쩍 늘어나고 있다. 수소차가 보급되면서 수소를 에너지원으로 활용하는 다양한 기술이 주목을 모으고 있다. 여기에서 활용되는 수소는 석유와 달리 지구 어디에서나 얻을 수 있는 에너지일 뿐 아니라, 연소할 때 미세먼지 등 공해물질을 거의 배출하지 않는 청정 에너지다. 하지만, 수소는 현존하는 가장 가벼운 기체인데다, 끓는점이 영하 250도를 넘을 정도로 극저온이라 새어나가기도 쉽고 저장하기도 어려웠다. 화학공학과 이건홍 교수‧이보람 연구교수팀은 UNIST, 한국생산기술연구원, 미국 콜로라도 광업대학(Colorado School of Mines)과 함께 아주 낮은 압력 조건에서 가스 하이드레이트 내부에 많은 양의 수소를 저장할 수 있는 새로운 원천기술을 개발해 미국 화학회가 발행하는 물리화학 저널 ‘저널 오브 피지컬 케미스트리 C(Journal of Physical Chemistry C)’지를 통해 발표했다. 이 성과는 오는 2월에 출판되는 오프라인 저널의 표지논문으로도 선정됐다. 가스 하이드레이트는 얼음과 비슷한 결정구조를 가지고 있지만, 내부에 연소 가스가 저장되어 있는 가스 하이드레이트에 불을 붙이면 불꽃을 내며 타기 때문에 불타는 얼음으로 불리는 고체물질이다. 이 속에 저장하려고 하는 가스의 종류에 따라 하이드레이트를 형성할 수 있는 압력과 온도조건이 결정된다. 특히 수소처럼 크기가 작은 가스를 저장하기 위해서는 1,000기압(1톤의 물질이 누르는 수준의 압력)이나 되는 초고압 조건이 필요하고, 열역학적 촉진제를 사용해야만 100기압 정도에서 수소 하이드레이트를 안정화할 수 있다고 알려져 왔다. 그러나, 촉진제를 사용하면, 하이드레이트 구조 내부에 촉진제가 가스보다 먼저 저장되기 때문에, 촉진제를 많이 사용하면 가스의 저장공간이 줄어들어 실제로 수소 저장 매체로서의 하이드레이트는 실용성이 떨어졌다. 연구팀은 이런 본질적인 한계를 해결하기 위하여 ‘준안정성(Metastability)’의 거동을 연구했다. 준안정성은 바닥상태보다 에너지가 높은 상태로 오랫동안 변하지 않고 유지되는 상태로, 이 상태의 물질은 안정하지도 불안정하지도 않은 중간 상태에 위치한다. 이 때 특정 시간이 흐르는 등 한계점 이상의 외부적 요인이 생기면 바로 안정이나 불안정 상태로 변화하게 된다. 연구팀은 이 거동을 응용, 가스하이드레이트의 자기보존 효과를 정밀하게 조절하자, 고작 5기압 정도에서 수소와 질소를 하이드레이트 내에 저장할 수 있는 결과를 얻었다. 이는 촉진제를 사용한 것의 1/20 수준에 불과하다. 또 10기압으로 올리자 가스 저장량이 기존의 6.2배까지 올라가는 효과까지 얻었다. 연구의 제1저자인 이보람 연구교수는 “해수담수화, 해리열 활용 등 국내외로 가스 하이드레이트의 특성을 활용한 여러 연구가 진행되고 있는데, 준안정성 거동을 활용한 연구를 더 진행하면 수소와 같은 가스 저장매체로서 가스 하이드레이트를 활용하는 새로운 패러다임이 나올 것으로 기대된다”고 설명했다. 한편, 이번 성과는 교육부의 BK21 화공창의융합인재양성사업의 일환으로 수행됐다.

기계.화공 노준석 교수팀, 투명망토 물질, 미래도시의 어둠 밝힐 "디스플레이"로

메타물질 이용한 3D 홀로그램 디스플레이 가능성제시 지난 해 실사화로 공개되며 화제를 모았던 영화<공각기동대>나 <블레이드 러너> 등 사이버펑크 영화는 물론, <아이언맨>이나 <어벤져스> 등에 등장하는 미래도시에는 항상 3D로 구현된 화려한 디스플레이들이 눈길을 끈다. 실체가 만져질 것처럼 보이는 이 디스플레이는 영화, 게임, 애니메이션 등에서 미래도시를 표현하는 단골 소재였다. 기계공학과 노준석 교수, 통합과정 김인기‧윤관호‧장재혁씨 팀은 광학분야 권위지인 ‘ACS 포토닉스(ACS Photonics)’를 통해 투명망토 물질로 더 잘알려진 메타물질을 이용해 3D홀로그램 디스플레이나 반사형 디스플레이로 사용할 수 있다는 가능성을 제안해 눈길을 모았다. 자연계에 존재하지 않는 물질, 메타물질을 통하면 빛의 굴절이 반대방향으로 휘어져 이 원리를 이용해 뒤집어 쓰면 사람의 몸이 보이지 않는 투명망토, 적의 감시를 피할 수 있는 스텔스 기술로 개발할 수 있게 된다. 그러나, 처음 메타물질이 발견된 이래 20여년간 메타물질이 가지고 있는 광학적 특성을 밝히는 연구가 주가 되어 왔다. 연구팀은 메타표면의 응용 분야 중 디스플레이 기술로서의 확장을 다양하게 제안했다. 특히 차세대 저전력 디스플레이 기술로 손꼽히는 ‘반사형 디스플레이’와 홀로그램으로 3D 영상을 불러내는 3D 홀로그램 디스플레이 기술 구현 가능성이 높다고 설명했다. 반사형 디스플레이는 현재 사용되는 LED 등과 달리 광원 없이 외부의 빛을 이용해 정보를 표시하는 디스플레이로, 광원이 없어 소비 전력이 적을 뿐 아니라 훨씬 더 선명하게 볼 수 있게 된다. 이 디스플레이의 경우 TV 등 가전제품에도 활용할 수 있지만, 건물 창이나 외벽에 수백인치에 달하는 넓은 디스플레이로 사용할 수 있다는 점에서 많은 연구가 이루어지고 있다. 물론, 이 디스플레이의 경우 빛 제어가 어려워 색채구현이 어렵다는 단점이 제기되기는 했으나, 메타물질의 특성은 이 단점도 충분히 해결할 수 있다는 것이다. <마이너리티 리포트>나 <아이언맨>에서 자주 등장한 3D홀로그램 디스플레이도 메타물질로 만들 수 있지만, 메타물질이 가지고 있는 홀로그램 기능은 보안프로그램이나 위조 방지 기술로도 응용할 수 있다. 다만, 연구팀은 이처럼 메타물질을 디스플레이 기술로 접목하기 위해서는 효율을 높이기 위해 결 유전체 기반의 메타표면 제작이 급선무라는 점도 덧붙였다. 연구를 주도하고 있는 노준석 교수는 “메타물질을 이용한 디스플레이들은 SF영화 속 미래도시에서 볼 수 있던, 건물을 뒤덮은 거대한 광고화면은 물론, 가상‧증강 현실기기로 접목할 수 있다”며 “앞으로 연구팀은 미래디스플레이는 물론 보안 기술의 다양한 활용 방안을 계속해 연구해나갈 것”이라고 밝혔다. 한편, 해당 연구는 한국연구재단 미래소재디스커버리사업, 선도연구센터(ERC) 광기계기술센터, 글로벌프론티어사업 파동에너지극한제어연구단, 전략공모사업(산업수학), 한-프협력기반조성사업, 글로벌박사펠로우십 및 현대자동차정몽구재단의 지원을 받아 수행되었다.

융합생명 임신혁 교수팀, 자신을 공격하는 면역질환 ‘루푸스’ 발병 원인 찾았다

[Ets1 유전자 변이로 인한 Thf2 세포 증가가 루푸스 질환 유도함을 동물과 인체서 확인, 기초 면역학자와 임상 의학자 간 공동 연구로 치료제 개발 가능성 열어] 난치성 자가 면역질환인 루푸스(lupus)*1의 치료제 개발에 청신호가 켜졌다. 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 면역 미생물 공생 연구단/POSTECH 연구진과 아주대학교병원 류마티스내과 공동연구팀은 Ets1 유전자의 변이가 루푸스 발병에 영향을 끼친다는 사실을 밝히는데 성공했다. 또한 이 과정에서 특정 T세포가 질환을 유도하는 핵심인자임을 밝혀 희귀질환의 치료제 개발에 큰 전기가 마련될 것으로 기대된다. 약 1,000명당 1명꼴로 발병하는 루푸스는 난치성 면역질환 중 하나다. 신장, 관절 등에 염증을 일으키고 제때 적절한 치료가 이뤄지지 않을 경우 사망에 이를 수 있다. 루프스 발병에 연관된 60개 이상의 유전자 변이들이 발견되었지만 실제 어떤 유전자가 질환에 이르는지 밝혀진 바가 없다. T세포, B세포, 수지상세포 등 다양한 면역세포들 중 어떤 면역 세포의 이상이 루프스 발병을 유도하는지도 불분명했다. 증상을 완화시키는 치료법만 있을 뿐 궁극적인 치료제는 없는 상황이다. POSTECH/IBS 연구진은 아시아계 루푸스 환자에서 가장 많이 발견되는 Ets1 유전자 변이에 주목했다. 임신혁 교수 연구팀은 면역세포가 결손된 생쥐들을 대상으로 실험을 한 결과, 유전자 변이로 인해 특이적으로 Ets1을 생성하지 못하는 생쥐에서 루프스 환자와 비슷하게 비장의 크기가 비대해지고, 임파선염, 피부염 등이 생기는 것을 관찰했다. 특히, 이 과정에서 생쥐를 대상으로 한 기존 연구에선 보고된 바 없었던 폴리큘러 도움 T세포 2(follicular helper T cell 2, 이하 Tfh2 세포)*2가 매우 높게 증가하는 것을 발견했다. Tfh2 세포는 항체 생성에 도움을 주는 T세포다. 연구진은 Tfh2 세포가 생쥐에도 존재함을 처음으로 밝혔음은 물론 Tfh2 세포의 증가가 루푸스 증상 유도로 이어짐을 처음으로 보고한 것이다. 더 나아가 연구진은 Tfh2 세포의 증가가 항체 생성을 촉진하는 인터루킨 4(IL-4)*3 단백질의 증가와 밀접하게 연관됨을 밝혔다. Ets1 돌연변이가 Thf2 세포의 급격한 증가에 영향을 미치고 이로 인해 건강한 장기를 외부침입자로 인식해 공격하는 자가 항체가 유도되는 과정을 확인한 것이다. 연구진은 항체 생성 과정에 관여하는 인터루킨 4를 타겟 삼아 활성을 떨어뜨리는 항체를 투여한 결과, 루푸스 증상이 완화됨을 확인했다. Ets1 유전자가 없는 생쥐로 동물실험을 마친 연구진은 실제 루프스 환자에서도 Ets 1 유전자 변이가 면역계 이상 반응을 일으킬지 궁금증을 갖고 아주대학교 서창희 교수 연구팀에 공동 연구를 제안했다. 만약 Ets1 유전자 변이가 루푸스 발병에 관여한다는 사실을 증명하면 환자 치료제 개발에 크게 기여할 수 있을 것으로 예상했다. 연구팀은 국내 루푸스 환자의 혈액 속 T 세포*4에서 ETS1 단백질 발현이 떨어지는 것을 확인했다. Ets1 유전자 변이는 루푸스 환자의 질병 중증도와도 밀접한 연관 있었다. 연구진은 Thf2 세포가 동물실험에서와 마찬가지로 환자의 임상 증상 악화에 관여하는 면역세포에서도 크게 영향력을 미침을 확인했다. 이번 연구는 그간 밝혀지지 않았던 Tfh2 세포의 중요성을 제시했다는데 의의가 있다. 임신혁 교수는 “향후 Tfh2 세포의 생성과 기능을 제어할 수 있다면 제한적 효능을 가졌던 기존 약물의 한계를 넘는 자가면역 질환 치료제 개발에 큰 도움이 될 것”이라며 “향후 Tfh2 세포가 루푸스 뿐 아니라 항체로 인해 매개되는 다른 자자면역 질환에도 역할을 하는지 추가적인 연구를 희망한다”고 말했다. 이번 연구성과는 면역학 분야 저명 학술지인 이뮤니티(Immunity, IF 19.734, DOI: 10.1016/j.immuni.2018.10.012)에 12월 19일 수요일 새벽 1시(한국시간)에 온라인판에 게재되었다. 1. 루푸스(Systemic lupus erythematosus; SLE, 또는 전신홍반루푸스) 몸의 일부를 외부 인자로 인식하여 자가 면역 반응을 일으켜 다양한 조직에 염증 및 기능 상실을 유도한다, 피부, 신장, 허파, 혈관, 뇌에 염증을 일으켜 사망에 이르는 자가면역 질환이며, 이 때 자가 항체가 주요 질환을 매개하는 것으로 알려져 있다. 2. 폴리큘러 도움 T 세포 2(follicular helper T　cell 2, Tfh2) 체액성 면역 반응을 촉진하는 항체를 생성하는 데 도움을 주는 T 세포.로 B 세포에 의한 항체 생성에 도움을 주는 역할을 주로 한다. 3. 인터루킨 4 (Interleukin 4, IL-4) 도움 T 세포가 분비하는 대표적인 면역세포 활성화 단백질이다. B 세포의 항체 생성을 촉진 시키는 역할을 한다. 4. CD4 T 세포 도움 T 세포로 다양한 면역 세포를 활성화 시키는 세포군을 뜻한다.

환경 민승기 교수팀, 빨라지는 여름 시작, 원인은 ‘인간’...더 뜨거운 봄철 폭염 앞으로 더 자주 찾아온다

[인간 활동이 봄철 이상고온에 영향 과학적 근거 제시, 온실가스 증가로 때 이른 더위 발생 가능성 2~3배 높아졌음 확인] 2017년 5월, 계절은 늦은 봄이었지만 대한민국은 한여름처럼 달아올랐다. 평균기온은 18.7℃로 1973년 이후 가장 높았고, 5월 29일에는 밀양이 무려 36.6℃에 오르며 5월 기온으론 역대 최고치(1962.5.31. 대구 36.6℃ 기록과 동률)를 기록하기도 했다. 평년보다 8일 정도 일찍 여름이 시작됐고, 5월 말엔 경상도와 전라남도에 이례적으로 이른 폭염 특보가 발효되기도 했다. 왜 이런 때 이른 더위가 최근 들어 자주 찾아오는 것일까? 환경공학부 민승기 교수·김연희 연구교수, 박사과정 박인홍, 이동현 씨 연구팀은 옥스퍼드 대학의 기후모델링 연구팀과의 공동연구를 통해 2017년 5월 대한민국에서 발생한 기록적인 이상고온과 빠른 여름 시작의 원인이 인간 활동 때문이었음을 최초로 확인했다. 특히 온실가스 증가로 인해 2017년과 같이 이른 더위가 찾아올 가능성이 2~3배 높아졌음을 확인했다. 이 연구는 ‘미국기상학회보(Bulletin of the American Meteorological Society)’지 특별호에 소개됐다. 연구팀은 방대한 양의 고해상도 지역기후모델(RCM)과 전지구기후모델(GCM) 모의자료를 이용하여 인간 활동이 포함된 경우와 포함되지 않은 경우의 기상 이변 발생 결과를 비교했다. 그 결과 2017년 한국에서 발생한 기록적인 5월 이상 고온과 빠른 여름 시작은 온실가스의 증가로 인해 그 발생 가능성이 2~3배 증가하였음을 확인했다. 그동안 폭염이나 기상이변은 식탁 물가를 비롯한 경제, 여가활동, 보건 등에 큰 영향을 미쳤고, 많은 과학자는 기상 이변의 원인을 알고자 큰 노력을 기울여 왔다. 인간이 만들어낸 환경 오염이 원인일 것이라는 추측은 많았지만, 고해상도 기후모델을 이용한 방대한 데이터가 필요하기 때문에 과학적으로 증명해 내기란 쉽지 않았다. 이번 ‘미국기상학회보’ 특별호는 한반도의 봄철 폭염을 포함하여 2017년 동안 6개 대륙과 2개 대양에서 발생한 이상기후 현상에 대한 원인 규명 결과를 다루고 있으며, 전 세계 10개국 120명의 과학자가 참여하였다. 미국 북부 평원과 동아프리카의 가뭄, 남미와 중국, 방글라데시의 홍수, 중국과 지중해 지역의 폭염이 모두 인간이 만들어낸 기후 변화 때문일 가능성이 높다고 밝혔다. 민승기 교수는 “산업화에 따른 온실가스 증가로 인해 전 지구적인 기온 증가뿐만 아니라, 한반도와 같은 작은 지역에서 여름 계절의 시작일이 빨라짐을 최초로 확인한 결과”라며 “앞으로 지구 온난화가 지속됨에 따라 때 이른 봄철 폭염이 좀 더 자주, 그리고 더 강하게 발생할 것으로 전망되며 이에 대한 분야별 대응책 마련이 요구된다”고 밝혔다. 한편 이 연구는 기상See-At 기술개발사업, 국립기상과학원 기상업무지원기술개발, 한국연구재단 선도연구센터 “비가역 기후변화 연구센터”의 지원으로 수행됐다.

화학 박문정 교수팀, 고질적인 배터리 문제 해결할 신개념 고분자 전해질 개발

[분극현상 없고 액체 누출 막는 고분자 전해질] 우리의 일상생활 속에서 배터리가 없는 삶은 상상할 수 없다. 휴대전화부터 자동차까지 다양한 배터리가 사용되고 있다. 하지만 배터리는 시간이 지날수록 여러 가지 이유로 초반의 성능이 유지되지 않아 교체해줘야 하는데 가장 큰 이유 중 하나는 전류의 흐름이 원활하지 않아 전압이 떨어지는 분극현상 때문이다. 화학과 박문정 교수·통합과정 김경욱씨, 김온누리씨 연구팀은 신개념의 고분자 전해질을 개발해, 배터리 효율을 높이고 이온성 액체가 누출되는 치명적인 문제점을 해결했다. 이 연구는 국제 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)지에 출판되었고, 편집자 선택(editor's choice)에 소개됐다. 신개념의 고전도성 고분자 전해질은 2~3 나노미터(nm) 크기의 이온결정을 기반으로 만든 것으로 이 연구팀에 의해 최초로 만들어졌다. 고분자 전해질 연구에서 중요한 것은 이온이 잘 분리되고, 잘 움직여서 효율을 높게 만드는 것이다. 기존의 고분자 전해질 연구에선 이온 2개가 각각 반대방향으로 동시에 움직였는데 이것이 바로 분극현상이다. 이온이 이렇게 반대 반향으로 한꺼번에 움직이게 되면 이온의 속도가 서로 달라 효율도 낮아지고 전극에 가서 축적되면 전압도 낮아지는 문제가 있었다. 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 단일이온 전도체, 측 하나의 이온만 움직이는 전해질을 개발하였다. 음이온을 움직이지 못하게 고정하고 양이온만 움직이게 만들어서 이러한 분극현상을 원천적으로 해결하였다. 그간 단일이온 전도체를 배터리 시스템에 이용하지 않았던 이유는 이온전도도가 낮기 때문이고, 그 이유는 낮은 이온해리도에 있다. 이러한 이온해리도는 전해질의 유전상수와 밀접한 관계가 있는데, 통상적인 고분자 전해질은 그 값이 5 근방으로 고질적인 문제점으로 여겨져 왔다. 이번에 개발한 고분자 전해질의 경우 최고 수치가 78로 나와 관심이 모이고 있다. 이 값은 물의 유전상수 값인 80에 거의 육박하는 수준이다. 또 이온성 액체 기반 고분자 전해질의 고질적인 문제점이었던 이온성 액체 누출이란 치명적인 문제점도 고체상의 이온결정을 형성시킴으로써 해결했다. 연구를 주도한 박문정 교수는 “본 연구진이 개발한 이온결정 기반 단일이온전도성 고분자는 심각한 분극현상과 이온성 액체 누출이란 문제점을 동시에 해결했다는 점에서 매우 고무적인 결과”라며 기대감을 밝혔다. 한편 이 연구는 중견연구, 선도연구센터지원사업, 미래소재디스커버리사업, 글로벌 프론티어사업(멀티스케일 에너지 시스템)의 지원으로 수행됐다.

생명 이승재 교수팀, 인간의 수명연장 2배까지 가능해질까?

[Prefoldin-6이 생명체 수명연장의 연결고리] 우리나라 인구의 평균수명은 남성 기준으로 80세다. 최근 UN의 인구통계에서 사람의 기대수명을 120세로 정의 내리기도 했다. 그런데 이보다 2배를 더 살 수 있는 길이 열린다면 어떨까? 국내 연구진이 수명을 늘릴 수 있는 단백질 간의 상호작용 비밀을 밝혀내 인간 수명의 획기적인 연장이 가능해질지 관심이 모이고 있다. 생명과학과 이승재 교수·박사 손희화, 서근희씨 팀은 인슐린 호르몬 신호가 저하된 상태에서 생명체의 장수를 유도한다고 알려진 HSF-1과 FOXO 전사인자 사이에 프레폴딘-6(Prefoldin-6, PFD-6)가 둘 사이 연결고리로 작용해 생명체의 수명을 연장한다는 것을 새롭게 밝혔다. 이 연구는 유전학과 발달 생물학 분야 국제 저널인 유전자와 발달(Genes and Development)에 게재되었다. 사람은 누구나 생로병사의 틀 안에서 살아간다. 하지만 병에 걸리거나 죽음을 맞는 시기는 사람마다 다르다. 그 때문에 노화를 막고 조금이라도 더 장수하는 비결을 찾기 위한 학계의 노력은 동서고금을 막론하고 계속되고 있다. 이때 연구에 주로 사용되는 것이 예쁜꼬마선충인데 인간과 절반 이상의 유전자를 공유하고 있고 수명이 짧아서 장수연구에 특화된 선충이다. 예쁜꼬마선충은 수명이 보통은 30일 정도 되지만, 인슐린 신호를 돌연변이 형태로 저하하면 수명에 도움을 주는 HSF-1과 FOXO 전사인자가 활발하게 발현돼 수명이 무려 60일로 2배가 늘어난다. 이 전사인자의 비밀을 푼다면 인간의 수명도 획기적으로 늘 수 있는 만큼 이 부분에 연구는 꼭 필요했다. 하지만 이 둘이 어떤 연관 관계가 있고 어떻게 인슐린과 함께 수명에 영향을 미치는지에 대해선 거의 알려진 바가 없었다. 연구팀은 장(intestine)과 피하조직에 있는 프레폴딘-6(PFD-6)를 주목했다. 먼저 인슐린 신호가 저하된 상태에서 HSF-1 전사인자가 활성화 된다. 이때 프레폴딘-6가 단백질의 양을 증가 시키게 되는데 이것이 FOXO 전자 인자를 활성화해 결국 수명이 증가되는 메커니즘을 파악했다. 이 연구는 생명체의 수명연장에 가장 중요한 단백질로 알려진 HSF-1과 FOXO라는 전사인자가 서로 협력해 생명체의 건강한 노화를 유도하는 기전을 밝혔다는 점에서 의미가 크다. 연구를 이끈 이승재 교수는 “프레폴딘-6와 HSF-1, FOXO는 예쁜꼬마선충뿐 아니라 사람에게도 모두 잘 보존된 단백질이기 때문에 향후 인간의 수명 연장과 노화 질환 예방과 치료에 응용 가능성이 있을 수 있다”고 기대감을 밝혔다. 한편 이 연구는 한국연구재단의 지원으로 수행되었다.

화학 이인수 교수팀, 수질오염 해결할 ‘두 얼굴의’ 나노큐브, “더 쉽게” 만든다

[‘야누스’ 구조 가진 나노큐브 간단 합성법 개발] 태안 기름 유출 사고를 비롯해 호수와 하천, 바다의 수질오염은 아직도 빈번하게 일어나는 사고 중 하나다. 수질오염은 생활에서 직접적으로 영향을 미칠 수 있어 빠른 방제책이 필요하다. 이 때 활용되는 방법 중 하나가 나노물질을 이용한 오염물질의 흡착이나 분해다. 오염물질을 물질에 붙도록 해 제거하거나, 물질을 아주 작게 분해해 위험성을 낮추는 것이다. 여기에 활용되는 것이 다양한 나노물질로, 최대한 환경에 부담이 가지 않도록 분해효율을 높일 수 있는 물질 개발에 많은 초점이 맞춰져 있다. 화학과 이인수 교수팀은 아주 간단한 열처리 방법만으로 한 면에만 구멍이 생기도록 한 ‘야누스’형 산화철(Fe3O4) 나노큐브를 만들어, 이 입자를 물 속에서 염료를 효율적으로 분해할 수 있는 스위머(swimmer)로 개발하는데 성공했다. 미국화학회지(JACS)를 통해 발표된 이 성과는 부분적으로 깎거나(에칭), 성장 방식을 통해 만들고자 했던 기존의 합성법과 다른 단순한 합성법으로 화제를 모았다. 오목한 나노입자를 만들기 위해서는 먼저 나노 결정을 합성한 뒤, 한 면만 깎아내기 위해 또 다른 물질을 부착하거나, 특정부분만 더 원자가 성장할 수 있도록 하는 복잡한 방법을 거쳐야 했다. 연구팀은 철(Fe2+) 이온이 고온에 반응해 이동하는 점에 착안해, 나노큐브를 일단 실리카로 둘러싸고, 이를 열처리해 철이온이 주변의 실리카 껍질로 이동하며 구멍이 생기도록 했다. 지금까지 합성이나 조립을 통해 오목한 입자를 만든 사례는 있지만, 구멍이 생기도록 하는 연구는 보고된 적이 없다. 특히 이 나노큐브의 구멍은 독특한 성질을 가지고 있어 촉매 백금 결정이 생겨나 서로 다른 모양을 한 ‘야누스’형 입자로 합성할 수 있다. 이 입자는 물 속에서 O2 기포를 발생시키는데, 비대칭적인 구조 때문에 기포에 힘입어 한 방향으로 나아갈 수 있는 성질을 가지고 있다. 이 때문에 야누스 나노입자가 오염물질을 분해하는 데 효율적인 촉매로 사용될 수 있을 것으로 기대를 모은다. 한편, 이 연구는 한국연구재단의 리더연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다.

신소재 한세광 교수팀, 스마트콘택트 렌즈 개발 '렌즈로 혈당 측정 기대'

신소재 한세광 교수팀이 혈당 측정용 콘택트렌즈를 개발, 내년에 소규모 환자를 대상으로 임상시험에 들어간다. 이 기술은 구글도 개발 도중 포기할 만큼 까다로운 기술로 한 교수의 임상 결과에 많은 관심이 모이고 있다. ☞조선일보 관련 기사 보기 (11월 29일자)

기계 김동성 교수팀, 사람과 유사한 체외 세포군집체 만들어 동물실험 단점 보완한다

[3차원 나노섬유 마이크로웰 플랫폼 개발] 약물이나 화장품을 개발할 때, 연구자는 처음부터 사람을 대상으로 독성 반응이나 효능 시험을 할 수 없다. 가장 먼저 실험실에서 세포 단위 실험을 하고 그 다음 동물 실험을 통해 실제 효능이 있는지, 그리고 부작용은 없는지 확인한 이후에나 사람을 대상으로 한 임상시험을 할 수 있다. 하지만 동물은 사람과 생리학적으로 많은 차이가 있기 때문에 약물의 독성 및 반응 실험의 결과가 사람과 다른 경우가 많아 효율성의 문제가 있을 뿐만 아니라 동물 실험에 대한 윤리 문제 또한 재기되고 있어 동물 실험의 존립에 대한 많은 논란이 있다. 만약 사람의 인체와 유사한 인공 장기나 세포군집체를 체외에서 만들 수 있다면 동물실험을 보완하거나 대체할 수 있고, 재생의료, 신약 스크리닝*1 등에 널리 활용될 수 있다. 그렇기 때문에, 인공장기나 세포군집체를 만들기 위해 과학자들과 의료계의 연구가 계속돼 왔다. 기계공학과 김동성 교수·박상민 박사 팀은 물방울을 접지전극으로 활용하는 전기방사법을 적용해 인체 내 세포 미세환경을 모사한 3차원 나노섬유 마이크로웰(Microwell) 플랫폼을 개발했다. 이 플랫폼을 활용해 인간과 유사한 3차원의 세포군집체를 만들었으며 기존보다 1.5배 향상된 신진대사 기능을 갖춘 간 세포군집체를 구현하기도 했다. 이 세포군집체를 활용하면 동물실험을 보완하여 신약의 효능과 부작용을 검증 할 수 있는 길이 열리게 된다. 우리 몸은 단일 세포와 그 세포들이 모여 있는 세포군집체로 이뤄져 있다. 몸 밖에서 단일 세포들을 키울 수 있어도 몸속에서처럼 세포가 모여 있는 세포군집체를 만드는 일은 어려웠다. 연구팀은 이런 세포군집체를 체외에서 구현하기 위해 표면장력으로 동그랗게 맺힌 물방울의 모양을 활용했다. 연구팀은 표면장력에 의해 볼록하게 형성된 물방울을 접지전극으로 활용한 전기방사법을 적용해 물방울의 반대형상인 오목한 나노섬유 마이크로웰 제작에 성공했다. 이 마이크로웰은 쉽게 말하면 바닥이 오목한 그릇 모양인데 여기에 단일 세포들을 넣으면 오목한 구조 덕분에 바닥의 중심 쪽으로 세포들이 자연스럽게 동그란 모양으로 뭉쳐 세포군집체가 형성된다. 또한, 연구팀은 세포 미세환경과 유사한 나노섬유로 마이크로웰을 구성해 기존보다 1.5배 성능이 향상된 간 세포군집체를 구현하는데에도 성공했다. 또 물방울을 활용했기 때문에 크기와 모양에 유동성을 가지고 있어서 곡선으로 이뤄진 인체 내 다양한 구조적 특징을 반영할 수 있게 됐다. 이 마이크로웰 플랫폼을 활용하면 줄기세포를 키우는 데도 사용할 수 있는데 평평한 바닥에서 세포들을 키운 것 보다 기능성이 더 뛰어날 것으로 예상되어 약물 스크리닝, 재생의료, 인공장기, 생체유용물질 생산 등의 산업 분야에 적용이 가능하다. 연구를 이끈 김동성 교수는 “기존의 마이크로웰에 고기능성 세포군집체 구현을 위한 나노섬유 등 생체 내의 구조를 반영할 수 있는 새로운 방법을 제시한 것”이라며 연구성과의 의의를 밝혔다. 한편 이 연구는 미국화학회가 발간하는 국제학술지 ‘미국화학회 응용물질 및 인터페이스’(ACS Applide Materials and Interfaces)에 11월 7일 게재됐으며 미래창조과학부, 한국연구재단의 중견연구자 지원사업과 생체모사형 메카트로닉스 융합기술개발사업의 지원으로 수행됐다. 1. 스크리닝(screening) 약물의 작용점을 제어할 수 있는 물질을 찾는 작업

창의IT 김철홍 교수팀, 광음향 영상, 나노판 조영제로 깊숙이 본다

[Bi2SE3 나노판으로 영상 촬영 가능] 질병을 찾고 치료하기 위해 사람의 몸속을 좀 더 깊숙하고 정밀하게 관찰하기 위한 과학계의 노력은 계속되고 있다. 최근엔 레이저 빛을 쪼였을 때 몸이 내는 소리로 몸속 촬영이 가능한 광음향 영상 기술이 주목을 모으고 있다. 하지만 광음향 영상은 짧은 파장은 빛을 너무 잘 흡수해, 보고자 하는 장기만 살펴보기 어렵고 얕은 부위만 관찰할 수 있다는 단점이 있다. 긴 파장을 사용하면 몸속 깊은 곳까지 빛이 도달하지만, 빛이 조직에 흡수되지 않아 역시 타깃 장기만 선별해 관찰하기가 힘들었다. 깊숙한 몸속 관찰을 위해 긴 파장에서 높은 흡수율을 갖는 광음향 조영제 개발이 필요했다. 창의IT융합공학과 김철홍 교수·박사과정 박사라 씨 팀은 신소재 공학과 정운룡 교수·통합과정 박경배 씨 팀과의 공동연구를 통해 1064나노미터(nm) 파장에서 광음향 조영제 역할을 하는 Bi2SE3 나노판을 개발했다. 이 나노판을 활용하면 광음향 영상으로 그동안 보기 힘들었던 몸속 깊은 곳을 관찰할 수 있다. 이 연구는 국제 학술지 나노스케일(Nanoscale)에 표지 논문으로 게재됐다. 몸에 나노미터 레이저를 쏘면 단파장의 경우 신체 내에서 잘 흡수되기 때문에 피부에 가까운 혈관에 흡수되는 등 몸에 많은 요소가 빛을 먼저 흡수한다. 단파장의 경우 깊은 곳까지 빛을 보내지 못하기 때문에 얕은 깊이의 조직이나 혈관 등을 관찰하기에 좋다. 좀 더 깊은 곳을 보기 위해선 장파장을 활용해야 한다. 장파장은 신체 내에서 거의 흡수되지 않기 때문에 좀 더 깊은 곳까지 빛을 보낼 수 있다. 하지만 이번엔 흡수되지 않기 때문에 빛을 받아 몸이 내는 소리로 조직을 보는 광음향 영상에선 관찰이 쉽지 않았다. 연구팀은 1064nm의 빛에 반응하는 나노판 조영제 Bi2SE3를 개발했다. 이 나노판을 관찰하고자 하는 조직 사이에 설치해두면 엑스레이나 시티의 조영제 역할처럼 이미지를 선명하게 볼 수 있도록 도와준다. 특히 인체 조직과 비슷한 닭가슴살 실험을 통해 4.6cm 깊이에서 영상을 얻는 데 성공했다. 이 기술이 상용화되면 몸속 깊은 곳에 있는 질병에 대한 정보를 더욱 쉽고 정확하게 얻을 수 있게 될 전망이다. 특히 나노판 조영제의 경우 독성이 낮고 생체에 적합한 성질을 갖고 있기 때문에 조영제 부작용 없이 정밀 진단을 받을 수 있다. 김철홍 교수는 “1064nm의 파장에서 높은 흡광도를 갖는 Bi2SE3 나노판을 개발해 광음향 영상에 적용했다”라며 “이 나노판을 이용해 몸속 깊이 위치한 다양한 조직의 구조적 정보와 영상을 비침습적으로 제공할 수 있다”며 기대감을 밝혔다. 이 연구는 미래창조과학부 IT명품인재양성사업, 한국연구재단의 선도연구센터지원사업 공학분야, 한국연구재단 미래유망융합기술 파이오니어사업의 지원으로 수행됐다.