기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 첨단연성물질 연구단 스티브 그래닉(Steve Granick) 단장(UNIST 자연과학부 특훈교수) 연구팀이 매우 얇고 투명한 그래핀 주머니를 만들어 유기 고분자(Polymer)*의 움직임을 보는데 성공했다. 투과전자현미경(TEM, Transmitted Electron Microscope)**으로 별도의 작업 없이 실시간 관찰한 첫 사례다.

고분자는 생체 속에서 신호 물질과 DNA, 단백질을 이룬다. 생체 대부분을 작동시키는 핵심 요소지만 어떻게 움직이는지 상당 부분 밝혀지지 않았다. 생체와 비슷한 액체 환경에서 고분자를 고배율로 관찰하려면 전자 현미경을 사용해야 하는데 내부의 높은 진공 상태로 인해 액체가 증발해 버리기 때문이다.

IBS 연구진은 그래핀(graphene)*으로 이 문제를 해결했다. 두 장의 그래핀 사이에 고분자가 든 액체층을 샌드위치처럼 끼우고, 그래핀으로 감싸는 일명 ‘액체 그래핀 셀(liquid graphene cell)’ 방법을 사용했다. 그래핀 주머니에 고분자가 든 액체를 넣은 셈이다. 그래핀 주머니 방식은 장점이 많다. 전자 현미경 안에서도 증발하지 않고, 강력한 전자빔으로 인한 손상도 덜하다. 매우 얇으면서 투명해 내부까지 관찰이 가능하다.

기존의 액체 그래핀 셀 방식은 착색(staining)의 별도 작업이 필요했다. 고분자 내 단량체*를 잘 볼 수 있도록 염색 분자나 금속 이온을 시료와 결합시키는 과정이 동반돼야 한다. 하지만 착색방식은 대상 고분자의 성질에 영향을 미친다는 단점이 있었다.

IBS 연구진은 8개월의 실험 끝에 착색 작업 없이도 안정적으로 고분자를 볼 수 있는 그래핀 주머니 제작 방식을 고안하는데 성공했다. 먼저 투과전자현미경(TEM)에서 시료를 놓는 바닥에 3~5겹 그래핀 한 장을 올린다. 그 위에 시료 고분자가 든 액체를 뿌리고 2겹의 그래핀을 지붕처럼 덮는다. 그래핀끼리 강력하게 붙으면서 액체가 안에 갇히는 것이다.

투과전자현미경에 놓인 그래핀 주머니는 투명하기 때문에 실시간 관찰이 가능하다. 투과전자현미경은 전자를 위에서 쏘고 아래에서 전자감지기가 상을 읽는 원리로 작동한다. 그래핀 주머니가 투명하기 때문에 그대로 내부에 있는 고분자의 움직임을 관찰할 수 있는 것이다. 마치 프로젝터로 화면을 스크린에 쏘면 스크린 뒤에서도 화면을 볼 수 있는 것과 같은 원리다.

연구진은 그래핀 주머니 방법으로 고분자의 구조적인 재배열과 그래핀 바닥과의 흡착-탈착 과정, 기존에 알려진 고분자의 점프 현상을 고해상도 이미지로 관찰했다. 제1저자인 마나사 칸둘라 연구위원은 “이번 성과를 바탕으로 고분자가 어떤 운동을 하는지 비교적 생체와 비슷한 환경에서 볼 수 있게 되었다”고 밝혔다.

고분자가 단백질, 효소, DNA를 이룰 뿐만 아니라 플라스틱을 비롯한 산업에 광범위하게 적용되는 만큼, 고분자 작동 원리 연구는 의료와 산업계에 근본적인 기여를 할 것으로 기대된다.

이번 연구결과는 재료분야 세계적 학술지인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials, IF=19.791) 온라인판에 9월 19일 게재됐다.

[그림 1] 연구진이 고안한 투명하고 얇은 그래핀 주머니: 액체 그래핀 셀 방식을 이용해 그래핀 주머니를 만드는 과정은 다음과 같다. 먼저 투과전자현미경의 시료를 놓는 곳에 먼저 금 격자와 다공성 탄소층을 준비한다. 그 위에 3~5겹의 그래핀 한 장을 올려 그래핀 바닥을 만든다. 그래핀 바닥은 다공성 탄소층에 접착된다. 그 위에 시료 고분자가 든 액체를 뿌리고 2겹 정도의 그래핀을 덮는다(그림A).

이 후 그래핀 두 장 사이에 작은 수로가 형성되면(그림B) 투과전자현미경으로 개별 고분자를 관찰할 수 있다(그림C). 위의 사진에선 0.2몰 농도의 소금물에 고분자 ‘황화 폴리스테린’이 들어있다.

[그림 2] 고분자의 구조적인 재배열과 흡착-탈착, 점프 현상: 연구진은 그래핀 주머니 방식을 이용해 고분자의 움직임을 관찰하는데 성공했다. 위 그래프와 이미지는 고분자가 그래핀 표면과 흡착-탈착하면서 위치를 바꾸는 점프 현상을 보여준다. 시간의 흐름에 따라 고분자가 이동했음을 보여 준다(그림 C, D).