브라운모터

브라운모터는 초미세공간에 있는 비평형 상태의 입자를 일정한 방향으로 이동시키는 동력장치를 말한다. 나노크기의 분자들은 용액속에서 다른 용매들과 충돌하면서 방향성없이 움직이는 ‘브라운 운동’을 하는데, 이 운동때문에 나노스케일의 초미세공간에서 분자들을 원하는 곳에 선택적으로 이동시키는 것이 지금까지는 불가능했다. 이 브라운운동을 제어해 나노입자를 특정방향으로 이동시키는 모터, 일명 ‘브라운모터’가 최근 국내연구팀에 의해 개발됐다. 이화여대 김준수 교수 연구팀이 올린 성과다. 연구팀은 나노입자가 DNA를 따라 한쪽 방향으로 이동하도록 DNA를 설계하고, 이를 이론 및 계산화학 연구로 증명했다. 음전하의 DNA와 양전하의 나노입자는 정전기적 인력으로 결합한다. 이 때 DNA구조가 유연할수록 나노입자와의 결합에너지가 낮고 결합하기 쉽다. 따라서 나노입자는 DNA의 유연한 부분을 향해 이동한다는 것이 확인됐다. 연구팀은 이 원리를 이용해 DNA의 유연성이 점진적으로 증가하는 구조가 반복되도록 합성했다. 그리고 주변 이온의 농도를 급격히 증가, 감소시키기를 반복했다. DNA와 나노입자의 결합에너지가 끊임없이 변화하면서 나노입자가 한쪽으로 이동하는 것이 증명됐다. 즉 384개의 염기쌍을 순차적으로 합성해 반복적으로 유연성이 변화하도록 설계된 DNA모델과 나노입자와의 결합에너지를 이용했다. 여기서 이온농도가 낮을 때는 반복적으로 비대칭적인 DNA-나노입자 결합에너지를 가지고, 이온농도가 높을 때는 대칭적인 결합에너지를 가진다는 사실이 확인됨에 따라 용액의 이온농도를 주기적으로 변화시킴으로써 비평형상태를 유도하고 나노입자를 일정방향으로 이동시킬 수 있게됐다.

세계적 학술지인 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 게재된 이 연구로 초미세공간에서 DNA에 결합한 나노입자를 원하는 방향으로 이동시키는 나노스케일 브라운 모터의 설계 및 개발가능성이 증명됐다. 이에 따라 공상과학에서 등장하던 나노디바이스 및 나노응용기술의 개발이 한 걸음 앞당겨졌다는 평가니 인간의 과학이 어디까지 발전하는 지를 지켜보는 것은 매우 흥미진진한 일이다. /김진호(서울취재본부장)