▲ 그래핀 액상셀 투과전자현미경법을 통한 나노입자의 비정규 확산과정 관찰 및 해석 / 그래핀 액상셀 내의 초미세 나노입자(왼쪽)의 움직임을 투과전자현미경을 통해 실시간으로 관찰한 결과(오른쪽 위)로 얻어진 나노입자의 평균 제곱 변위와 변위에 대한 확률분포, 그리고 전자현미경의 공간분해능 이하에서 일어나는 열운동 양상까지도 정량적으로 설명하거나 예측할 수 있었다(오른쪽 아래).(그림설명 및 그림제공 : 서울대학교 박정원 교수)   © 특허뉴스

초미세 나노입자(수 나노미터 이하 크기)의 액체 속에서의 자연스러운 움직임을 방해하지 않고 관찰할 수 있는 그래핀 주머니(liquid cell)가 소개됐다.

한국연구재단은 서울대 화학생물공학부 박정원 교수와 중앙대 화학과 및 세포화학동력학 창의연구단 성재영·김지현 교수 공동연구팀이 초미세 금 나노입자들의 액체상 움직임을 관찰할 수 있는 그래핀 기반 주머니를 제작하고 이를 이용해 금 나노입자들의 열운동과 응집반응을 정확히 관찰하고 정량적으로 설명해냈다고 29일 밝혔다.

비교적 잘 알려진 화장품이나 우유와 같은 현탁액에 콜로이드로 존재하는 마이크로입자와 달리 그보다 훨씬 작은 나노입자는 일반 광학현미경은 물론이고 통상적인 전자현미경으로는 관찰하기 어려워 액상에서의 거동에 대해 잘 알려지지 않았다.

액상투과전자현미경을 통해 입자와 입자가 분산된 액체를 투과한 전자를 통해 나노입자의 움직임을 볼 수 있는데 이 때 전자가 쉽게 투과할 수 있도록 아주 얇은 용기 안에 나노입자 용액을 담아야 한다. 기존 실리콘 소재 용기는 액체를 안정적으로 감쌀 수 있지만 전자가 투과하면 그 자체로 강한 전하를 띠어 시료 속 입자의 움직임에 간섭한다는 것이 문제였다.

연구팀은 탄소 원자 하나 하나가 이어진 원자 하나 두께의 얇은 그래핀을 안정적으로 다루는 기술을 개발하여 두 장의 그래핀 사이에 마치 물집과 같이 나노입자 용액을 가두어서 초미세 나노입자의 실시간 움직임을 간섭 없이 관찰하는 데 성공했다.

이 그래핀 주머니의 도움으로 통계적 해석이 가능할 정도로 많은 초미세 나노입자들의 운동과 응집반응을 관찰할 수 있었고 그를 토대로 새로운 모델과 이론도 제시할 수 있었다.

나노입자의 확산속도가 입자마다 다르고 하나의 입자에 대해서도 입자 주변환경 변화에 따라 동적으로 요동치는 것을 새로이 알게됐다. 또한 나노입자 간 응집반응이 일어나는 과정도 세분화할 수 있었다.

이번 연구에서 얻은 나노입자의 액체상에서의 움직임에 대한 실시간 관찰과 바탕이 되는 이론은 이제까지 잘 알려지지 않은 세포 내부와 같은 복잡한 환경 내에서의 입자의 운동과 화학반응을 해석하는 실마리가 될 수 있다.

김지현 교수는 “향후 세포 내부처럼 보다 복잡한 환경에서 화학 반응에 참여하는 단일 분자나 효소의 움직임을 관찰하고자 한다”고 계획을 밝혔다.

이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스 (Science Advances)’에 2021년 12월 3일 게재되었다.