KIST-프린스턴대학 공동연구팀, 나노 주름의 나노터널 전이 현상 규명
고분자 실리콘 화합물(PDMS) 소재를 압축하면 주름이 생긴다. 이 표면에서 우리 손바닥의 손금과 같은 ‘구조의 접힘(Folding)’ 상태를 만들기 위해서는 소재의 30% 이상 압축 변형이 이루어져야 한다.
최근 국내 연구진이 매우 낮은 수치인 1% 정도의 작은 변형에서 물방울로 인한 표면장력으로 나노 주름에 더 큰 변형을 유도하여 접힘 구조를 만들 수 있는 현상을 규명하고, 이로 인해 DNA 나노선(Nanowire)을 만드는 기술을 개발했다.
한국과학기술연구원(KIST) 계산과학연구센터 문명운 박사 연구팀은 프린스턴대학의 하워드 스톤(Howard A. Stone) 교수팀과 공동 연구를 통해 ‘액체 표면장력에 의한 나노 주름 형상이 나노터널로 전이되는 현상’을 규명하고 이를 적용하여 ‘DNA 나노선을 만드는 매우 손쉬운 방법’을 제안했다(그림 1).
▲ 그림 1. 액체 내의 DNA가 나노터널을 따라서 배열하는 이미지
접힘 구조의 나노터널
수십 나노미터 높이의 나노 주름 위에 물방울과 같은 액체를 올려두면 물방울 주변의 표면장력이 주름 표면에 작용하여 나노 주름의 입구를 잡아당기며, 물이 닿은 주름 안쪽 단면을 원형 터널에 가깝게 만든다.
물과 같은 액체는 표면장력을 줄이기 위해 표면의 넓이를 최대한 줄이려는 성질을 갖고 있다. 물방울이 동그란 구형을 띠는 것은 표면장력이 가장 낮은 안정된 상태이기 때문이다. 친수성 소재에 물을 떨어뜨리면 물이 퍼지며 물 표면의 넓이가 늘어나 표면장력이 커지는데, 친수성을 가진 나노 주름 표면에서 물이 강력한 압축응력을 만들어냄에 따라 물이 있는 통로의 경우 주름의 깊이가 깊어지고, 그 결과 접힘 구조의 나노터널이 형성된다. 연구진은 이를 통해 액체의 표면 장력에 의해 고체 표면의 2차원 변형이 가능하다는 것을 밝혔다.
국부적으로 나노미터 폭과 수십 나노미터의 내부 구조를 가진 깊은 주름 혹은 접힘이 형성되며, 이러한 나노 접힘 구조는 수백 나노미터의 간격을 가지며 터널 형태로 형성된다(그림 2). 접힌 구역의 내부에는 수십 나노 폭의 좁고 긴 통로가 형성되는데, 이러한 통로로 나노크기 물줄기가 지나가면서 지속적으로 주름을 잡아 당겨 긴 접힘 구조를 가진 나노 터널을 형성하게 되며, 이때 주름을 잡아당기는 물의 표면장력에 의해 나노 터널 길이는 수백 마이크로미터 혹은 밀리미터 수준까지도 가능하다.
▲ 그림 2. 물의 표면장력에 의해 나노 주름(Wrinkle, 중간 아래 이미지)이 나
노 접힘(중간 위 이미지)으로 만들어진 나노 터널(오른쪽 이미지)로 전이되는 현상
DNA로 만들어진 나노와이어
물 등의 액체 내에 나노입자, 나노와이어와 같은 나노물질이나 DNA 등의 생체 분자물질을 같이 넣고, 나노 주름 표면에 떨어뜨리면 물방울과 DNA 등의 물질이 함께 나노터널을 타고 들어가게 된다. 이후에 물을 건조, 제거한 뒤에도 함유된 물질은 나노터널이 있었던 곳에 그대로 남아 특정 간격을 유지하면서 DNA로 만들어진 나노와이어가 형성된다(그림 3).
▲ 그림 3. DNA 나노와이어가 형성된 후, 물이 증발되고 DNA 나노와이어가
표면에 들어난 AFM
이와 같이 연구진은 나노터널을 통해 물에 나노 크기의 약물이나 기능성 나노 입자를 혼합하여 나노와이어 형태로 손쉽게 배열하게 할 수 있다는 것을 밝혔다.
KIST 문명운 박사는 “나노 터널의 길이를 수십 마이크로미터에서 수 밀리미터까지 변화시킴으로써 용액 내에 있는 DNA나 단백질 같은 작은 바이오 물질을 포집 혹은 저장하거나 전달할 수 있는 분야에 응용할 수 있다”며, “나노 형광입자를 배열하는 데 중요한 수단으로 활용되는 등 기존에 접근하기 어려웠던 나노크기의 물질 전달 및 배열이 필요한 다양한 분야에 응용할 수 있을 것”이라고 말했다.
이 기술은 향후 약물전달 장치나 생체 센서, DNA나 단백질 정밀 분석 등에 활발하게 활용될 전망이다.
▲ 그림 4. DNA를 함유한 물에 의해 나노 주름이 나노 터널로 전이 되는 현상
이 연구는 한국과학기술연구원 미래원천연구 사업으로 수행되었으며, 연구결과는 미국 국립과학원 회보 ‘PNAS (Proceedings of National Academy of Sciences, U.S.A.)’ 온라인 판에 실렸다.
