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부부 머리 맞댄 '나노 입자 리모콘', 세계 최초로 미세 액체방울 원격조종 성공

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2018년 01월 11일 03:00 프린트하기

 

나노 계면활성제로 둘러싸인 액체방울이 레이저를 비춘 지점으로 모인다. 약 8초 후에는 육각형을 이루며 압축적으로 조립된다. 액체방울이 레이저를 향해 움직이는 것은, 나노입자가 빛을 흡수하고 액체를 데워 만드는 대류 때문이다. - IBS 제공
나노 계면활성제로 둘러싸인 액체방울이 레이저를 비춘 지점으로 모인다. 약 8초 후에는 육각형을 이루며 압축적으로 조립된다. 액체방울이 레이저를 향해 움직이는 것은, 나노입자가 빛을 흡수하고 액체를 데워 만드는 대류 때문이다. - IBS 제공

수십 나노미터(㎚, 10억 분의 1m) 크기의 초소형 액체방울을 원격 조종하는 영리한 기술이 개발됐다. 10㎚ 남짓한 크기의 초소형 인공 나노 입자를 마치 로봇처럼 이용해서다. 빛이나 자기장 등을 이용하면 외부에서 리모콘처럼 이 입자를 조종할 수 있다.

 

양 지지에, 웨이 징징 기초과학연구원(IBS) 첨단연성물질연구단 연구위원팀은 계면활성제 성질을 갖는 나노 입자를 세계 최초로 개발하고, 이를 이용해 미세한 액체방울을 자유롭게 통제하는 데 성공해 그 결과를 11일 '네이처'에 발표했다.


계면활성제는 물과 기름 양쪽에 결합하는 성질이 있는 특이한 물질로, 일상에서는 비누나 샴푸 등 세제에 널리 쓰인다. 계면활성제가 물과 기름에 동시에 결합할 수 있는 이유는 하나의 분자 안에 물과 잘 결합하는 부위와 기름과 잘 결합하는 부위가 동시에 있는 특이한 구조에 있다. 이런 성질은 두 액체를 자연스럽게 분리하게 해 준다.

 

액체방울을 둘러싼 나노 계면활성제는 나노입자로 만들었다. 연구팀은 금(Au)에 친수성 분자를 붙인 친수성 나노입자(노랑)와, 산화철(Fe3O4) 혹은 황화납(PbS)에 소수성 분자를 붙인 소수성 나노입자(파랑)를 결합했다. - IBS 제공
액체방울을 둘러싼 나노 계면활성제는 나노입자로 만들었다. 연구팀은 금(Au)에 친수성 분자를 붙인 친수성 나노입자(노랑)와, 산화철(Fe3O4) 혹은 황화납(PbS)에 소수성 분자를 붙인 소수성 나노입자(파랑)를 결합했다. - IBS 제공

연구팀은 이런 구조를 나노 입자에 응용했다. 우선 지름 6㎚의 금 입자와 12㎚의 산화철 또는 황화납 입자를 준비한 뒤, 고분자 중합체(폴리머)로 결합시켜 마치 눈사람 모양의 나노 입자를 만들었다. 이 때 금 입자는 물과 결합하는 성질이 강하고, 산화철 입자와 황화납 입자는 기름과 결합하는 성질이 있다.


이어 이 나노 입자로 액체방울을 둘러싸게 해 일종의 액체 주머니 또는 풍선을 이루게 한 뒤, 각각 자기장과 빛(레이저), 전기장을 가해 액체방울을 움직이게 했다. 예를 들어 물과 기름이 섞인 수조에 이번에 개발한 나노 계면활성제를 넣고 자석을 갖다 대면, 보이지 않는 입자에 둘러싸인 물방울이 자석에 끌려 움직였다. 연구팀은 자성에 끌리는 산화철과 끌리지 않는 황화납의 비율을 조절해 움직이는 속도와 강도도 조절하는 데 성공했다.

 

레이저를 쏘면 부분적으로 액체 방울 일부가 가열되며 대류 현상을 일으켰다. 그 결과 액체방울이 회전하면서 서로 모여 마치 벌집 같은 모양을 이뤘다. 연구팀은 레이저를 쏘는 부분을 조절해 액체방울의 회전 속도와 방향을 정밀하게 바꾸는 데에도 성공했다. 마지막으로 전기를 흐르게 하면 순간적으로 나노 입자가 액체 방울의 양 끝에 몰리며 중간에 틈을 만든다는 사실도 발견했다. 이 틈으로 두 개의 액체방울의 용액이 흐르게 할 수 있는데, 그 결과 액체방울을 합쳐서 긴 타원체 등 새로운 모양으로 변하게 만들 수 있었다.

 

대류현상으로 인해 액체방울이 회전하는데 맞닿은 액체방울들이 톱니바퀴처럼 맞물려 돌아간다. - IBS 제공
대류현상으로 인해 액체방울이 회전하는데 맞닿은 액체방울들이 톱니바퀴처럼 맞물려 돌아간다. - IBS 제공


연구팀은 이번에 개발한 나노 계면활성제로 액체방울 하나하나를 초미니 화학, 생물학 실험실로 만들 수 있다고 주장했다. 액체방울 안에 세포를 키우거나, 특정 화학물질을 넣고 반응을 실험할 수 있다는 뜻이다. 안에 약물을 담은 채 몸 안에 넣고 원하는 조직이나 세포로 이동시켜 약을 주입시키는 약물전달체로 응용할 수도 있다. 연구 총 책임자인 바르토슈 그쥐보프스키 그룹리더는 “나노 계면활성제로 만든 액체방울은 세상에서 가장 작은 화학공장”이라고 말했다.

 

한편, 연구를 주도한 양 지지에, 웨이 징징 연구위원은 부부 사이다. 양 연구위원은 “둘이 연구를 하니 배우는 점이 아주 많다”며  “이번 연구의 계면활성제와 비슷하다, 나노 입자 두 개를 더했지만 결과는 나노 입자 두 개보다 훨씬 대단하다”고 말했다.

 

논문 제1저자인 양 지지에 연구위원(왼쪽)과 웨이 징징 연구위원. 두 사람은 부부다. - IBS 제공
논문 제1저자인 양 지지에 연구위원(왼쪽)과 웨이 징징 연구위원. 두 사람은 부부다. - IBS 제공
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