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Research Highlights
- 신소재 오승수 교수팀, 원하는 대로 척척... DNA·단백질도 3D 프린팅하는 시대
- [오승수 교수팀, 세계 최초 3차원 나노 해상도 프린팅 핵심 기술 개발]
3D 프린터는 다양한 산업 분야에서 사용되고 있다. 최근에는 3D 프린터로 건축물을 만들기도 하고, 인공장기를 만들기도 한다. 그러나 미세 영역으로 들어가는 경우, 생체 고분자(DNA, 단백질, 효소)들은 각각 고유한 구조와 성질을 갖고 있어 이를 인위적으로 제어하기 어렵다. 과연 미세 영역에서도 3D 프린팅을 통해 자유자재로 원하는 크기와 모양을 갖는 생체 고분자를 구현해낼 수 있을까?
신소재공학과 오승수 교수 · 제정호 명예교수 · 용문중 박사 · 통합과정 양운 · 강병화씨 연구팀은 다양한 생체 고분자에 광범위하게 적용할 수 있고, 고분자의 형태와 기능의 변형 없이 자유롭게 제어할 수 있는 ‘3차원 고정밀 나노 프린팅’ 기술을 개발했다. 이 연구는 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’지에 게재됐다.
연구팀은 생체 고분자가 들어있는 용액을 순차적으로 억류, 증발, 응고시키는 과정을 통하여 온전한 형태와 기능을 유지한 3차원 프린팅을 구현하는 데 성공했다. 이 기술을 통해 원하는 3D 미세 패턴을 형성할 수 있으며, 형성된 나노 패턴은 구조적 · 기능적 손상 없이 다양한 용매에서 생물학적 기능을 수행할 수 있다. 또한, 첨가제를 전혀 사용하지 않고도 순도 100퍼센트의 생체 고분자 패턴 제작이 가능하다.
이번 연구를 통해 ‘분자 수준의 미세 영역에서 나타나는 용액의 증발과 응고 현상이 생체 고분자 유형과 관계없이 발생한다’는 원리를 이용하여 다양한 영역에서 적용 가능한 기술이 개발되었다. 생체 고분자 용액에서 나타나는 기본적 증발과 응고 현상에만 기반하기 때문에, 프린팅 과정에서 생체 고분자의 손상이나 변형이 일어나지 않는다는 장점이 있다.
이 기술은 미세한 생체 조직을 분석하고, 모방할 수 있는 물질을 개발하는 데 활용이 가능하여 생체 환경에서 제 기능을 할 수 있는 인공 세포 조직, 바이오 칩 제조 등에 널리 활용될 수 있을 것으로...
2023-03-29
- 물리 박경덕 교수팀, 뜨거운 침 한 방으로 트랜스포머 반도체입자 만든다
- [박경덕 교수팀, 이종접합 2차원반도체의 준입자를 능동제어하는 나노현미경 개발]
영화 <스파이더맨>의 슈트처럼 얇고 부드러우면서도 다양한 전기적‧광학적 기능을 갖춘 웨어러블 기기는 어떻게 만들 수 있을까? 이를 위해서는 기존 성능 한계를 훨씬 넘어서는 새로운 소재를 구현하는 것은 물론, 이 소재의 물리적 특성을 정밀하게 제어하는 원천기술을 확보해야 한다.
전이금속칼코겐화합물(이하 TMD)을 그래핀처럼 단일층으로 분리하면, 고성능 반도체특성을 갖춘 2차원 박막물질로 바뀐다. 특히 서로 다른 TMD 두 층을 쌓을 때, TMD 종류와 적층 방식을 달리하면 저마다 다양한 특성을 발현시킬 수 있다. 그런 이유로 이종접합 2차원 반도체는 미래 전자산업의 차세대 핵심 소재로 전세계 산업계와 학계에서 주목을 받고 있지만 이 물질 내 준입자의 물리적 특성을 정밀하게 제어하기 어려워 상용화에 어려움을 겪고 있다.
물리학과 박경덕 교수, 통합과정 구연정 ‧ 이형우 씨와 러시아 ITMO대 바실리 크랍초프(Vasily Kravtsov) 교수 공동 연구팀은 2차원 물질의 준입자를 좁은 공간에서 능동적으로 제어할 수 있는 다기능 탐침증강 나노현미경을 개발했다. 이를 이용해 TMD 이종접합물질에서 새롭게 발현하는 층간엑시톤*1과 층간트라이온*2 등의 반도체입자를 약 20nm 수준에서 제어하는데 성공했다.
이종접합물질의 층간엑시톤은 일반적인 엑시톤과 같이 반도체 특성의 광발광 현상을 일으킨다. 전기적으로 중성인 준입자 상태에서 빛과 물질 간 전환이 자유로워 발열이 적은 차세대 반도체 소자로 응용할 수 있는 것은 물론, 기존 엑시톤에 비해 결맞음시간(coherence time)이 매우 길어 양자정보통신 광원으로도 활용될 수 있다. 하지만, 층간엑시톤은 상온에서 발광효율이 매우 낮고 발광에너지의 변조가 어렵다는 과제를 안고 있다.
선행연구에서 엑시톤 나노공간제어 원천기술을 제시한 바 있는 박경덕 교수팀은, 기가파스칼(GPa) 수준 압력과 근접장 세기로...
2023-03-28
- 화학 장영태 교수팀, 암, 이제는 진단과 치료를 ‘동시에’ 할 수 있다
- [POSTECH·싱가포르 A*STAR 공동 연구팀, TiY의 종양줄기세포 염색 효과에 이어 치료 효과 입증]
‘암’은 더 이상 불치병이 아니다. 그러나 작년 통계청에서 발표한 2021년 우리나라 사망자의 사망원인 1위는 바로 ‘암’이다. 여전히 우리는 ‘암’과 함께 살아가고 있다. 암에 걸리지 않도록 예방하는 것도 중요하지만 빠른 진단과 신속한 치료가 매우 중요한데, 진단과 치료를 동시에 진행할 수는 없을까?
화학과 장영태 · IT융합공학과 강남영 교수, 싱가포르 A*STAR 공동 연구팀은 TiY(Tumor initiating cell probe Yellow) 형광물질이 종양을 유발하는 세포를 염색하는 ‘동시에’ 종양 세포를 억제하여 암을 치료할 수 있다는 결과를 실험을 통해 입증했다. 이 연구는 치료와 진단 관련 맞춤의학 권위지인 ‘테라노틱스(Theranotics)’에 게재됐다.
연구팀은 이전 연구를 통해 체내에서 종양줄기세포(TIC, Tumor Initiating Cells)만을 찾아 형광펜처럼 염색하는 TiY 형광물질을 개발한 바 있으며, 이번 연구에서는 한 단계 더 나아가 ‘치료’ 차원에서의 TiY의 가능성을 확인한 것이다.
이번 연구에서 연구팀은 TiY 주입량에 따른 종양줄기세포의 변화를 관찰했다. 폐암 환자의 종양에서 채취한 종양줄기세포를 생쥐에 이식하고, TiY의 농도에 따른 염색과 치료 효과를 확인하기 위해 생쥐의 정맥을 통해 주입하는 TiY의 양을 서서히 늘려나갔다.
그 결과, 낮은 농도에서는 TiY가 종양줄기세포를 염색시키는 역할을 하는 반면, 높은 농도에서는 종양줄기세포의 증식을 억제하여 종양줄기세포가 급격히 사멸하는 것으로 나타났다. TiY 분자가 체내 여러 세포 중 종양줄기세포의 골격을 이루는 근육 단백질인 ‘비멘틴(vimentin)’에만 결합하는 메커니즘을 가지고 있기 때문에 이와 같은 선별적 염색과 치료가 가능한 것이다.
현재의 치료 방법으로는 종양이 완전히 사멸하지 않고, 다른 기관으로 전이되거나 ...
2023-03-27
- 물리 임지순 교수팀, 이산화탄소와 유해가스 골라 먹는 다공성 물질 개발
- [OSTECH 연구팀, 저밀도 기둥구조의 유·무기 하이브리드 화합물]
POSTECH 연구팀이 이산화탄소와 각종 유해가스를 효과적으로 포집할 수 있는 다공성 유·무기 하이브리드 화합물 합성에 성공했다.
물리학과 임지순 교수와 화학공학과 조길원, 박석환 교수 연구팀이 개발한 이 물질(SPOIC, Sparsely Pillared Organic-Inorganic Hybrid Compound)은 유·무기 하이브리드 화합물로 많은 초미세 구멍을 지녀 넓은 표면적을 가지고 있으며 구성성분들이 인체에 무해할 뿐 아니라 가격이 저렴하고 제조공정이 안전, 단순하며 친환경적이라는 장점을 가지고 있다.
이 물질은 층상구조를 가진 수산화알루미늄의 층간에 유기물 분자를 넓은 간격으로 삽입시켜 최대한의 층간 공간을 확보하는 형태이다. 층간의 빈 공간에 들어간 분자가 내부표면과 결합하여 안정되게 흡착 혹은 포집된다.
이산화탄소와 메탄 등 온실가스, 수소, 각종 유해물질과 발암물질(벤젠, 톨루엔, 벤조피렌 등), 미세먼지 원인물질(아산화질소 등), 중금속, 방사성물질들의 흡착, 저장, 혹은 제거 성능이 탁월할 뿐만 아니라 응용목적에 따라 추가적으로 작용기를 부착시킬 수 있는 일종의 플랫폼 물질로도 활용할 수 있다.
연구팀 리더인 임지순 교수는 최근 본 물질의 발명을 계기로 이산화탄소를 포집, 제거하는 국제경연대회 ‘엑스프라이즈 탄소 제거(XPRIZE Carbon Removal)' 에 출전했다. 이 대회는 테슬라 창업자 일론 머스크가 엑스프라이즈재단(XPRIZE Foundation)에 상금으로 1억 달러를 기증해 성사됐으며, 임지순 교수가 이끄는 팀이 경쟁 자격 인증을 취득함으로써 이 대회에 참여했다. 이러한 내용은 최근 공중파 TV매체를 통해서도 소개된 바있다.
이 물질은 한국, 일본에 이어 최근에 미국에도 특허 등록을 마쳤다. 임지순 교수는 “발명된 물질은 이산화탄소 및 각종 유해물질을 포집하는 데 널리 사용될 것으로 기대된다”고 말했다.
2023-03-24
- 화학 최창혁 교수팀, 연료전지 백금 촉매의 수명연장 실마리 찾아
- [최창혁 교수팀, 백금 부식 완화를 통한 연료전지 내구성 향상 전략 제시]
백금은 견고하고 아름다운 백색의 금속으로, 부식이 잘되지 않아 장신구에 널리 사용되는 최고의 귀금속이다. 그러나, 이러한 장신구로서의 사용은 전체의 30%에 불과하며, 대부분은 다양한 산업에 걸쳐 화학 촉매로서 주로 활용된다. 특히, 백금은 수소경제 사회의 핵심으로 여겨지는 연료전지의 주요 촉매로 활용되는데, 화학적으로 안정하다는 일반적인 상식과는 달리 연료전지 운전 중 부식되어 결국 이의 수명을 단축시키는 것으로 잘 알려져 있다.
최근 화학과 최창혁 교수 연구팀은 수소차 연료전지의 내구성을 악화시키는 백금의 화학적 부식 현상을 설명함과 동시에 연료전지의 수명을 늘릴 수 있는 실마리를 찾았다.
연료전지는 연료(수소 등)와 산소를 반응시켜 전기를 생산하는 장치로, 온실가스 배출없이 높은 에너지 변환 효율(75% 내외)을 가져 탄소중립정책 실현을 핵심 기술로 주목받고 있다. 연료전지는 반응성이 뛰어난 백금 촉매의 사용이 필수적이나, 백금은 반응 환경에서 부식될 수 있어 연료전지의 수명을 단축시킨다. 연료전지의 내구성 향상을 위해서 백금 부식의 원인을 규명하고, 이를 해결하기 위해 백금 부식 과정에 대한 정확한 이해가 필요하다.
연구팀은 고도화된 전기화학 분광분석법을 통해 밀리초 수준의 순간적인 전압교란*1이 백금의 부식을 유발하며, 귀금속인 백금이 화학적으로 녹아나갈 수 있음을 밝혔다. 이와 같은 현상은 순수 백금 촉매뿐만 아니라, 상용 연료전지에 활용되는 고성능 연료전지 촉매인 백금-니켈, 백금-코발트 촉매에서도 일어날 수 있는 일반적인 현상임을 확인하였다.
연구를 이끈 최창혁 교수는 “짧은 전압교란을 통해, 연료전지 핵심 부품인 백금 촉매의 화학적 부식과정을 면밀히 관찰할 수 있었을 뿐만 아니라, 수소연료전지 자동차의 보급을 위한 백금 촉매의 부식을 방지하기 위한 다양한 전략 등을 제시할 수 있었다”고 연구의 의의를 밝혔다.
한편, 이 연구 성과는 과학...
2023-03-23
