연구진이 최초로 개발한 거울 대칭상의 금 나노 기하구조.(서울대학교 공과대학 제공)./© News1

국내 연구진이 생체분자만의 고유 기하구조로 여겨졌던 거울상 대칭구조를 펩타이드를 이용해 금 나노 입자에서 세계 최초로 구현해 주목받고 있다.

서울대 남기태 재료공학부 교수팀과 포항공대 노준석·김욱성 교수팀, 장기석 LG디스플레이 연구소 책임연구원으로 구성된 공동연구팀이 이 같은 연구 결과로 세계 최고 권위의 학술지인 '네이처'(Nature)에 게재됐다고 서울대가 19일 밝혔다. 일반적으로 펩타이드는 단백질의 기초가 되는 조각이라고 이해하면 된다.이 연구는 이날 '네이처' 표지모델로 실렸으며, 영향력이 큰 연구 결과를 선정해 관련 분야 세계적인 과학자가 자세하게 논문의 의미와 가치 등을 설명하는 '뉴스앤드뷰'(News & Views) 섹션에도 소개됐다. 순수 국내 연구진의 연구 결과가 네이처 표지를 장식한 것은 매우 이례적이다.

연구진은 펩타이드와 금 특정 표면의 상호작용에 대한 이해를 바탕으로, 시계방향 및 반시계방향으로 뒤틀린 독특한 거울상 대칭구조가 구현된 100㎚크기의 균일한 금 나노 입자를 합성하고 그 원리를 규명했다.

가령 오른손과 왼손의 입체 구조는 동일해 보이지만 왼손용 야구 글러브를 오른손에 착용할 수는 없는 문제 같이 서로 거울 대칭상이지만 겹쳐지지 않는 특성을 '거울상 이성질' 또는 '카이랄성'이라고 한다. 단백질의 기본 구조인 아미노산을 포함해 생명 현상에 관여하는 모든 분자는 카이랄 구조인데, 이 재료는 독특한 기하 구조에서 비롯되는 구조 선택성 및 광 제어 특성을 지니고 있어 촉매 재료·광학 재료·센싱 플랫폼 개발을 포함 광범위한 분야에서 차세대 핵심 재료로 주목받고 있다.

다만 무기 재료에서의 카이랄 구조 제작 및 제어는 공정의 복잡성 및 재료 안정성 등의 측면에서 문제점이 많아 난제로 여겨져 왔다.

연구팀은 문제 해결을 위한 돌파구로 거울상 구조를 포함하는 생체 분자 펩타이드를 무기 결정 합성에 이용해 독특한 기하 구조의 금 나노입자를 구현해 냈다.

연구팀이 개발한 입자는 한 변이 약 100㎚인 정육면체의 각 면에 시계 또는 반시계 방향으로 뒤틀린 구조체가 존재하는 새로운 기하구조 형태의 나노 입자로, 회전하는 빛에 대한 반응성 측정을 통해 이 나노입자가 거대한 카이랄성을 지닌구조(생체 분자 단백질의 약 100배)임을 입증했다.

또 이 나노입자의 거대 카이랄성이 가시광 영역대에 존재한다는 사실에 주목해 카이랄 구조 고유의 편광 제어 특성을 이용하는 광학 실험을 통해 다양한 색채를 구현하는 데에도 성공했다.

이번 연구를 통해 펩타이드 서열과 그에 따른 구조 및 카이랄성이 그대로 무기 재료 표면에 반영될 수 있음을 최초로 발견한 것으로 생체 분자를 이용한 재료 합성의 새로운 패러다임을 열었다는 평가다.

아울러 연구팀이 개발한 합성법은 다양한 재료로의 확장 및 일반화가 용이함에 따라 나노 재료 합성 분야의 원천 기술을 확보했다는 점에서도 큰 의미가 있다는 것이 과학계의 설명이다. 현재 국내 및 해외 특허 출원이 완료된 상태다.

남기태 교수는 "생체 모방 원리를 이용해 자연계에 존재하나 인공적으로 구현할 수 없었던 구조를 가지는 카이랄 무기 나노결정을 세계 최초로 합성한 것"이라며 "합성된 입자는 디스플레이를 위한 새로운 개념의 가시광 편광소재로 바로 적용이 가능해 산업적으로 의미가 있다"고 밝혔다.

그는 이어 "학문적으로는 무기 재료 및 카이랄 생체 분자의 상호작용 현상에 대한 근원적 이해를 획기적으로 진보 시킨 것으로 향후 거울상 선택성 촉매 개발의 단초를 제공할 것으로 기대된다"고 전했다.

한편 이번 연구는 공동 제1저자인 서울대 이혜은 박사를 비롯해 안효용(서울대), 문정호(포항공대), 김민경(포항공대), 이윤영(서울대), 조남헌(서울대) 등 박사과정 학생들이 공저자로 참여했다. 순수 국내 연구진만의 노력으로 일궈낸 성과라는 점에서 우리나라의 이공계 우수성을 알렸다는 평가다.

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