그래핀 액상 유동 칩의 모식도(KAIST 제공) ©뉴스1

KAIST는 신소재공학과 육종민 교수 연구팀이 그래핀을 이용해 유체 내 물질들의 분자·원자단위 고해상도 영상을 획득할 수 있는 전자현미경 기술을 개발했다고 19일 밝혔다.

그동안 관찰하지 못했던 바이러스 및 단백질들의 상호작용이나 물질의 합성과정 등을 볼 수 있어 기초과학 및 공학 분야에서 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

전자현미경을 이용해 액체를 관찰하는 것은 아쿠아리움에서 물고기들을 관찰하는 것으로 비유할 수 있다.

물고기들을 선명하게 관찰하기 위해서는 높은 투과도를 가지고 수압을 견딜 수 있는 튼튼한 유리가 필요한 것처럼, 액상 투과전자현미경에서는 전자빔에 대해 투명하며 높은 진공 상태를 견딜 수 있는 물질을 필요로 한다.

하지만, 기존의 액상 전자현미경 기술은 이를 구현할 수 없었다.

이에 육 교수 연구팀은 지난 2012년 자신들이 세계 최초로 도입한 액체그래핀 액상 셀 기술을 이번에 개선해 자유로운 액체 순환이 가능한 그래핀 아쿠아리움 전자현미경 이미징 플랫폼을 개발하는데 성공했다.

연구팀이 투과 막으로 이용한 그래핀은 원자 단위의 두께를 가지고 강철보다 200배 높은 강도를 가지고 있다.

또, 연구팀은 자유로운 액체 순환과 교환을 위해 30~100nm 두께의 액상 수로를 가지는 구조체를 반도체 제작 공정인 리소그래피 공정으로 구현해 그래핀 액상 유동칩을 제작했다.

연구팀의 그래핀 액상 유동칩은 약 4기압에 달하는 압력 차를 견딜 수 있으며, 기존보다 20배 빠른 액체 유동 조건에서도 안정적인 작동이 가능하다.

그래핀 액상 유동 칩을 이용해 관찰한 나노 입자 및 박테리아의 전자현미경 이미지(KAIST 제공) ©뉴스1

또, 기존 막보다 100배 정도 얇은 그래핀은 전자빔에 대해 투명하기 때문에 이를 이용해 원자 단위에서 물질을 선명하게 관찰할 수 있다.

특히, 박테리아 및 생체 분자를 염색 과정 없이 온전히 관찰할 수 있다.

연구팀이 개발한 그래핀 액상 유동칩은 체내의 혈관과 같은 역할을 할 수 있으므로 코로나 바이러스가 어떻게 감염을 일으키는지 등과 같이 기존 기술로는 관찰할 수 없었던 현상들의 직접적인 관찰과 신약 개발에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다.

육 교수는 "액체 내 물질들을 분자 및 원자 단위로 관찰하면 자연의 가장 작은 단위에서 시작되는 다양한 현상들을 규명할 수 있다”라며 “이를 토대로 미지에 싸여있던 생명 현상의 비밀을 밝힐 수 있을 것으로 기대한다ˮ 고 말했다.

한편, 이번 연구결과는 국제 학술지 `어드밴스드 머티리얼스' 1월14일자에 내지 삽화와 함께 게재됐다.