의약품의 체내 흡수 같은 나노입자 융해반응 연구에 적용

얼음이 물로, 물이 기체로, 물이 얼음으로 바뀌는 현상을 과학에서는 상(相)변화라고 한다. 국내 연구진이 상변화 과정 중 고체가 액체로 변할 때 분자배열 변화모습을 실시간으로 관찰하는데 성공했다.

기초과학연구원(IBS) 나노의학연구단과 울산과학기술원(UNIST) 물리학부 공동연구팀은 그래핀 위에서 풀러렌이라는 물질의 분자결정이 액체로 상전이하는 과정을 단일 분자수준에서 관찰할 수 있는 방법을 발견했다고 30일 밝혔다. 이번 연구결과는 기초과학 및 공학 분야 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 27일자에 실렸다.

물질이 온도, 압력, 외부 자기장 같은 조건에 따라 하나의 상태에서 다른 상태로 바뀌는 현상을 상전이라고 하는데 기체가 액체가 바뀌는 응축, 액체가 고체로 바뀌는 응고현상 등이 대표적이다. 흔히 볼 수 있는 현상이지만 단일 원자나 분자 수준에서 정밀하게 관찰하기는 쉽지 않다. 특히 액체 상태에서는 분자 배열이 불규칙적이고 움직임이 활발하기 때문에 단일 분자들의 위치를 실시간 측정하는 것은 거의 불가능했다.

연구팀은 꿈의 신소재 그래핀 위에 풀러렌 분자 결정을 만든 뒤 단일 분자들의 움직임을 전자현미경으로 관찰하는 방법을 찾았다. 풀러렌은 탄소원자들이 오각형이나 육각형 모양으로 모여 축구공 같은 구형 분자를 구성하는 물질로 분자를 구성하는 탄소 갯수에 따라 C60 풀러렌, C70 풀러렌 등으로 불린다. 1985년 이 분자구조를 처음 발견한 과학자들은 1996년 노벨 화학상을 수상하기도 했다.풀러렌 분자가 구형이고 전자빔을 쪼이더라도 안정성이 높아 전자현미경으로 관찰하기가 쉽다. 이에 연구팀은 수차보정 투과전자현미경이라는 장치를 이용해 풀러렌 분자결정이 액체로 상전이하는 과정을 정밀하게 관찰하고 단일 분자의 실시간 움직임을 동영상으로 촬영했다. 특히 고체가 액체로 변하는 과정에서 분자들이 정렬된 고체영역과 불규칙한 액체영역이 섞여있음도 확인했다.

김관표(연세대 물리학과 교수) IBS 나노의학연구단 연구위원은 “이번 연구는 이전에 컴퓨터 시뮬레이션으로 상전이 현상을 연구한 것과 달리 실제 분자결정이 액체로 상전이 하는 현상을 직접 관찰했다는데 의미가 크다”라며 “고체에서 액체로 상전이 관찰은 의약품의 체내 흡수 과정 같은 나노입자의 융해 반응 연구에 적용할 수 있을 것”이라고 말했다.

유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr