이온은 생명체 내에서 신호전달과 기능조절에 필수적이다. 최근 생물학적 이온 채널을 모사하여 다양한 외부 자극(전기, pH, 빛, 압력 등)에 반응하는 다양한 인공 이온채널 개발에 관심이 고조되고 있다.
UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 고현협 교수팀은 고려대 곽상규 교수팀과 공동으로 ‘근적외선 빛에 양이온만 선택적으로 이동시킬 수 있는 광반응성 이온채널’을 개발했다. 광반응성 이온채널은 생체 내 특정 자극에 선택적으로 반응하는 이온채널을 모사한 것이다. 이는 빛을 쪼여주는 위치에 따라 방향성 있게 이온의 이동이 가능해 광반응성 센서 및 소자에 활용 가능하다.
그림1. 감광성 MXeneAuNSCNF (MAC) 멤브레인 (membrane)의 모식도
본 연구에서는 근적외선 빛에 민감한 이온채널을 개발하기 위해 2차원 평면구조를 가진 맥신(Mxene) 나노 시트를 사용하여 이온이 이동할 수 있는 채널을 만들었다. 또한 금 나노스타(gold nanostar)와 셀룰로오스 나노섬유로 기능화해 빛과 열에 반응해서 선택적 이온 이동을 보이는 양이온 채널을 제작했다.
맥신과 금 나노스타는 근적외선 파장의 빛을 흡수하여 열로 전환하는 광열 효과가 뛰어나다. 추가로 1차원 나노 재료인 셀룰로오스 나노섬유를 혼합해 맥신 복합소재의 기계적 강도를 향상시키는 동시에 채널 사이의 간격을 넓혀 효율적인 이온 흐름을 구현했다.
그림2. MAC 나노채널을 통한 이온의 이동
공동 제 1저자인 최아영 박사는 “맥신은 기존 산화그래핀에 비해 높은 수성 안정성을 가지고 더 많은 근적외선 빛을 흡수하므로 보다 뛰어난 광열 효과를 낼 수 있다”며 “본 연구에서 개발한 맥신 이온 채널은 산화그래핀 이온 채널보다 약 40배 높은 광유도 전류를 나타낸다”고 설명했다.
본 연구에서 개발한 맥신 이온채널은 음전하를 띈 친수성 막으로서 전해질 용액 내에서 양이온을 정전기적 인력으로 끌어당긴다. 맥신의 나노크기 채널에 제한된 유체는 광열삼투(photothermo-osmosis) 효과에 의해 빛을 쪼여주는 방향으로 채널 표면을 따라 흐르게 된다. 따라서 국부적인 근적외선 자극에 따라 이온 채널에 온도 구배를 효과적으로 형성시킬 수 있다. 이때 광열삼투 효과로 인해 채널 내부의 양이온이 방향성을 갖고 이동해 이온전류를 나타내게 된다.
그림3. 맥신 기반 이온채널의 광열삼투현상
제 1 저자인 염정희 박사는 “유체가 나노크기 채널 환경에 제한되게 되면 거시세계와 다르게 거동한다”며 “유체의 광열삼투 흐름 또한 전해질과 친수성 나노채널의 상호작용에 지배적으로 영향을 받게 된다”고 설명했다.
고현협 에너지화학공학과 교수는 “본 연구에서 개발된 맥신 이온채널은 빛에 노출되는 위치에 따라 전류를 끄거나 증폭시킬 수 있어 이온 기반 센서 및 소자에 활용될 수 있다”며 “생체이식형 소자, 휴먼-머신 인터페이스 등에 잠재적으로 응용이 가능하다”고 전망했다.
그림4. MAC 멤브레인의 광열 이온전류의 응용
한국연구재단의 개인기초연구사업 (중견연구), 나노소재기술개발사업 (미래기술연구실) 지원으로 수행된 이번 연구는 세계적 권위지 네이처의 자매지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 1월 23일자로 게재됐다.
