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“그래핀 이용해 DNA 분석할 수 있다” 美 연구팀 주장

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“그래핀 이용해 DNA 분석할 수 있다” 美 연구팀 주장

2018.06.27 08:00

3줄 요약

 

1. 그래핀을 쌓아 양 옆에서 압력을 주면 표면에 톱니 모양으로 비틀리며 강한 전하가 생성되는 현상이 발견됐다. 

2. 이렇게 전하가 발생한 그래핀층 위에 DNA 등 음전하를 띈 생체분자를 올리면 DNA가 펴지면서 염기서열 분석을 쉽게 할 수 있다. 

3. 원하는 기능을 하도록 그래핀층의 주름을 설계할 수 있다면 나노 물질을 다루는데 큰 도움이 될 전망이다.

 

 

두께가 원자 한 개 수준인 이차원 나노 탄소구조 물질 그래핀은 가볍고 유연하면서 철보다 단단해 꿈의 신소재로 불린다.

 

최근 그래핀층을 쌓은 표면에서 강력한 전하가 발생하는 특징이 새로 발견됐다. 이를 통해 유전물질인 DNA나 RNA의 염기서열을 밝히거나 나노 수준에서 생체분자의 움직임을 조절하는 등 다양한 영역에서 활용 가능하리란 기대도 나온다.

 

 

그래핀층에 양자잔주름이 생긴 것을 확대했다. -Brown University 제공
그래핀층에 양자잔주름이 생긴 것을 확대했다. -Brown University 제공

 

미국 브라운대 공대 나노미세공학실험실 김경숙 교수팀은 그래핀층 측면에서 횡압력을 주면 표면에 톱니 모양의 비틀림이 생기며, 여기서 전자가 양자화돼 강력한 전기 전하가 생성되는 현상을 발견했다고 26일(현지시각) ‘영국왕립학회저널 A (Proceedings of the Royal Society) A’에 발표했다.

 

김 교수는 “그래핀층 표면의 비틀림을 통해 전하가 생기는 현상을 양자 굴곡 전기잔주름(quantum flexelectric crinkle, 이하 양자 잔주름)이라 명명했다”며 “매우 얇은 각각의 주름에서 강한 전기력이 발생함을 확인했다”고 설명했다.

 

연구팀은 양자 잔주름 현상이 그래핀 속 탄소 원자를 둘러싼 전자의 양자행동으로 발생한다고 주장했다. 현재 적립된 원자 모형에 따르면 원자는 양성자를 중심으로 주변 일정 공간 안에 전자가 확률적으로 위치한 모양으로 묘사된다. 이를 전자구름이라 하며, 전자구름의 움직임은 양자행동의 일종이다.

 

그래핀층을 구부리는 힘을 주면, 그래핀층 사이의 위 또는 아래로 전자구름이 집중돼 1㎚(10억분의 1m) 크기의 얇은 잔주름이 톱니 모양으로 형성된다. 이때 잔주름의 위쪽은 음(-)전하가, 아래쪽은 양(+)전하가 발생한다는 것이다. 김 교수는 “양자 잔주름으로 그래핀층 위아래로 형성된 강력한 전기장은 나노 크기의 분자를 조절하는데 유용할 것”이라고 주장했다.

 

DNA나 RNA를 포함해 대부분의 생체 분자는 음(-)전하를 띤다. 연구팀은 그래핀층의 양자 잔주름 효과를 이용해 전기적으로 중성이 아닌 생체분자를 원하는 방향으로 이동시키는데 성공했다. 

 

김 교수는 “양전하로 강하게 하전되도록 양자 잔주름을 설계하고 그 위에 DNA를 놓으면, DNA가 붙은 다음 전기적 힘에 의해 주름을 따라 펼쳐질 것”이라며 “이를 통해 염기서열 분석을 쉽게 진행할 수 있을 것”이라고 전망했다. 그는 “양자 잔주름을 설계하고 통제할 수 있다면 나노 크기의 세계를 다룰때 폭넓게 적용할 수 있다”고 기대했다.

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