[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

생명체의 세포막에 존재하는 이온 채널은 특정 외부자극에 따라 이온을 안팎으로 이동시키는 역할을 하며, 이는 세포의 생리적 기능조절에 필수적이다. 따라서 최근 이와 같은 이온 채널을 모사하여 다양한 외부자극에 반응하는 인공 이온 채널이 개발되고 있는데, 여러 가지 외부 자극 중 빛은 원격제어가 가능하고, 작동이 간단하며 다양한 광반응성 물질을 사용할 수 있기 때문에 특히 유용하다. 인공 이온 채널의 개발을 위하여 포토리소그래피 패터닝, 하이드로겔, 다양한 나노 입자 등이 사용되고 있는데, 그 중 2차원 나노시트의 경우 비교적 간단한 제조방식을 통해 이온 통로를 만들 수 있다는 장점이 있으며 특히 맥신의 경우 높은 흡광계수와 광열변환효율을 가지고 있어 광반응성 이온 채널 소재로 적합하다.

이번 연구에서는 빛에 반응하는 이온 채널을 구현하기 위하여 2차원 나노시트인 맥신 (MXene) 뿐 아니라, 채널 내부에 금 나노스타 (gold nanostar, AuNS), 셀룰로오스 나노섬유 (cellulose nanofiber, CNF)로 기능화하여 MXene/AuNS/CNF (MAC) 멤브레인을 개발하였다. 다양한 나노재료를 복합화하여 만든 MAC 멤브레인은 음전하를 띈 나노채널을 형성하여 정전기적 인력을 통해 채널 내부에 양이온을 선택적으로 포함할 수 있다. 또한, 본 광열 반응성 나노채널은 근적외선 빛에 노출되는 부위에 따라 광열삼투효과에 의한 방향성 있는 양이온의 이동을 보여준다.

2. 연구내용 

본 연구에서는 근적외선 빛의 조사에 따라 선택적인 이온이동이 가능한 인공 이온 채널을 제작하고, 친수성 나노채널 내부에서 일어나는 이온 거동현상을 실험적, 이론적으로 밝혀냈다. 빛에 감응하는 이온채널을 제작하기 위하여 다양한 나노소재를 복합화하였는데 MXene과 AuNS는 근적외선 빛을 흡수하여 열로 전환하는 광열효과가 뛰어나다. 또한 MXene의 표면에 CNF가 수소결합되어 계층구조를 형성해 기계적 강도를 향상시킬 수 있으며 채널 간격을 넓혀 효율적인 이온이동을 가능하게 하였다. 이러한 MAC 멤브레인이 수화되었을 때, 층간 간격은 대략 0.7 nm로 이는 물분자 및 수화된 이온의 직경보다 크다. 따라서 MAC 멤브레인 내부에 형성된 나노채널에서 이온의 이동을 관찰할 수 있었다.

먼저, 나노 채널을 통한 이온의 이동을 이온 전도도 측정을 통해 관찰하였다. MAC 멤브레인은 친수성이며 사용한 나노재료의 특성 상 음전하를 띄게 되는데 이러한 채널이 전해질 용액과 접촉할 때 전해질 속에 존재하는 양이온과 음이온이 MAC 채널의 표면전하와 상호작용하게 된다. 즉, 음전하를 띈 채널 표면에 양이온은 정전기적 인력으로 가까워지고, 음이온은 정전기적 반발력으로 멀어지게 된다. 이 때, 양이온이 채널 표면에서부터 분포되어 있는 거리를 디바이 길이 (Debye length)라고 하며 이러한 디바이 길이는 사용하는 전해질의 농도에 반비례하게 된다. 따라서, 저농도의 전해질을 사용할 경우, 디바이 길이가 채널의 길이와 비슷하거나 커지게 되어 양이온 선택성이 있는 나노채널을 만들 수 있게 된다.

이러한 양이온 선택성 나노 채널의 국소부위에 근적외선을 조사하게 되면 MXene과 AuNS의 광열 효과에 의해 채널 내에 온도 구배가 형성되게 되며, 이때, 채널 내부에 포함되어 있는 양이온이 특정 방향 (빛을 가해준 부분, 즉 열이 발생하는 부분)으로 흐르게 되고 이를 광열삼투 (photothermo-osmosis) 효과라고 한다. 열 삼투란 온도가 다른 시스템 내에서 유체가 온도구배에 따라 흐르는 현상을 말한다. 거시세계에서 유체는 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 흐르지만 유체가 나노 공간에 갇혀 있을 때, 특히 친수성 유체가 친수성 나노 채널에 갇히게 되면 유체는 채널과 상호 작용하여 차가운 곳에서 뜨거운 곳으로 흐를 수 있다. 종합하면, 국부적인 빛 노출시, 채널을 따라 효과적인 온도 구배가 형성되고 양이온이 방향성 있게 이동할 수 있으며 이를 순 이온전류로 확인할 수 있다.

3. 기대효과

이번 연구에서 개발한 광열반응성 인공 이온채널은 맥신 나노시트에 AuNS 및 CNF를 복합화 하여 기존 맥신 나노채널보다 약 7배 높은 광열 이온전류를, 기존에 보고된 산화그래핀 나노채널 보다 약 40배 높은 광 유도전류를 나타내며, 산화그래핀에 금나노스타, 셀룰로오스 나노섬유로 기능화한 나노채널과 비교해도 약 14배 높은 이온전류를 보여준다.

더 나아가, 용액상의 전해질을 대체하여 이온 전도성 하이드로겔을 도입하면 유연한 광 반응성 이온 소자로 사용될 수 있다. 또한 빛에 노출되는 위치에 따라 전류를 감소시키거나 증폭시킬 수 있는 이온 기반 광 스위치 또는 나노유체 회로에 잠재적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)

Nature Portfolio에서 발간하는 다학제 분야(Multidisciplinary)를 다루는 세계적인 권위지인 네이처(Nature)의 자매지이다.

2. 맥신 (MXene, Ti3C2Tx)

맥신은 2차원 평면구조를 가진 나노물질로 티타늄과 탄소 원자 등으로 이루어져 있는 신 물질이다. 우수한 전기전도성과 높은 전자파 차폐성능으로 각종 센서 및 반도체 소재, 에너지 저장 소재 등으로 활용도가 높다.

3. 금 나노스타 (gold nanostar, AuNS)

입자 크기가 나노미터 스케일인 구형의 핵과 여러 개의 가지로 이루어진 금 나노입자. 근적외선 빛을 받아 표면 자유전자가 공명하는 국부 표면 플라즈몬 공명 (LSPR)특성이 있다.

4. 셀룰로오스 나노섬유 (cellulose nanofiber, CNF)

나무에서 유래한 천연 셀룰로오스 섬유이며, 종횡비가 1/100 이상으로 높다. 일반적으로 5-20 나노미터의 폭과 수 마이크로미터의 길이로 이루어진다. 높은 기계적 강도와 열 안정성을 가지고 있어 경량 복합소재, 의료용 생체재료 등에 활용도가 높다.

5. 광열효과 (photothermal effect)

물질에 전자파 방사선을 쏘였을 때 빛 에너지가 열 에너지로 전환되는 현상을 말한다.

6. LSPR

국소 표면 플라즈몬 공명은 빛의 입사 파장과 비슷하거나 그보다 작은 크기의 나노입자 (전도성, 특히 귀금속 나노 입자)와 상호작용하여 전도 전자의 집단 진동을 일으키는 현상을 말한다. 전자구름이 원래 위치에서 이동하면 전자와 핵 사이의 쿨롱 인력으로 인해 복원력이 발생하고 그 힘으로 전자구름이 진동하게 된다. 이 표면 플라즈몬 공명은 나노입자의 크기와 모양에 따라 조정될 수 있다.

7. 디바이 거리 (Debye length)

특정 전하를 가지고 있는 물체와 유체의 계면에서 물체 표면 전하를 보상하기 위해 유체 내에 존재하는 반대 전하들이 상호작용하여 분포하는 거리를 말한다. 디바이 길이는 전해질의 이온 농도에 반비례한다.

8. 광열삼투 (Photothermo-osmosis)

광열삼투 효과는 빛을 국부적으로 쪼여주었을 때 온도 구배가 생기는데, 온도가 불균일한 환경 내에서 유체가 온도 구배에 따라 흐르는 현상을 말한다.

[붙임] 그림설명

그림 1. 감광성 MXene/AuNS/CNF (MAC) 멤브레인 (membrane)의 모식도

a. MAC 멤브레인이 국부적인 근적외선빛에 노출되면 내부에 광열 구배를 형성하고 이에 따라 방향성 있는 양이온 수송이 가능하게 함.

b. MAC 구성 요소의 모식도 및 최종 MAC 필름.

c. MAC 필름의 TEM이미지. 검은색 화살표는 CNF를 나타냄.

d. 맥신 나노시트와 CNF간의 분자간 상호작용을 통해 형성되는 “brick-and-mortar” 구조. CNF는 맥신 사이에 분포하여 기계적 강도를 향상시키고 채널 간 간격을 넓힐 수 있다.

그림 2. MAC 나노채널을 통한 이온의 이동

a.다양한 전해질 농도 아래에서의 MAC 멤브레인의 이온전도도.

b.음전하를 띄는 MAC 표면에서의 디바이 길이 (λD)를 나타내는 모식도.

c.저농도 및 고농도 전해질에서의 이온 거동 현상을 나타내는 모식도. 저농도 전해질일 경우, MAC 표면 전하에 의해 이온전도도가 제어됨 (즉, 디바이 길이가 증가하여 채널 내부에 양이온만을 선택적으로 포함함). 반면, 고농도 전해질을 사용할 경우, 전해질 자체의 이온농도와 이온전도도가 비례함.

그림 3. 맥신 기반 이온채널의 광열삼투현상

a.비등온 시스템에서의 열삼투흐름 모식도.

b.단일 맥신 나노채널에서의 분자역학 (MD) 시뮬레이션 시스템. 두 가지 온도의 전해질 저장소 사이에 맥신 나노채널이 위치해 있음.

c-d. b에서 나타난 시뮬레이션 시스템 내에서의 용액의 온도 프로파일 (c)과 유체의 밀도 프로파일 (d). 비등온 시스템 내에 포함될 경우 이온채널 내에 온도 구배가 형성되며 유체는 나노 채널의 표면과 상호작용하여 계면에 높은 밀도로 분포하게 됨.

e..각 전해질 저장소 (hot, cold)의 물분자수 변화.

f. 맥신 나노채널 내부의 물의 순 질량 프로파일. 이때 y=0은 채널의 중심임.

g.맥신 나노채널에서 유체의 초과 엔탈피 밀도.

h.시간에 따른 각 전해질 저장소 (hot, cold)의 양이온 변화량.

그림 4. MAC 멤브레인의 광열 이온전류의 응용

a-c. 근적외선광 조사 위치 (a. 왼쪽, b. 중앙, c. 오른쪽)에 따라 달라지는 MAC 막을 통한 이온전류.

d-e. MAC 멤브레인의 나노유체회로에의 응용. MAC 멤브레인과 LED모듈을 연결하여, 빛을 주는 방향에 따라 다른 색의 LED가 켜지도록 시연함.

f. 이온전도성 하이드로겔을 도입한 유연 MAC 멤브레인 (ionogel-MAC)의 모식도 및 사진.

g.빛의 세기에 따른 ionogel-MAC의 이온 전류.

h.100회 굽힘 사이클에서의 ionogel-MAC 채널의 안정성 테스트.