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'DNA 이용' 다이아몬드구조 광결정 제조 성공…26년 난제 해결

성균관대 이기라 교수 "광소자·광컴퓨터·메타물질 활용 기대"

(대전=연합뉴스) 이주영 기자 = 국내 연구진이 유전 물질인 DNA를 이용해 빛의 흐름을 손실 없이 맘대로 제어할 수 있는 다이아몬드 구조 광결정을 만드는 데 최초로 성공, 26년간 풀리지 않던 학계 과제를 해결했다.

성균관대 화학공학부 이기라 교수팀은 28일 염기가 서로 짝을 이뤄 유전정보를 전달하는 DNA를 표면에 부착한 구형 나노입자와 4면체 나노입자들이 스스로 DNA 정보에 따라 결합하도록 하는 방법으로 다이아몬드 구조의 광결정을 만들었다고 밝혔다.

DNA를 이용한 다이아몬드 구조 광결정 제조과정
DNA를 이용한 다이아몬드 구조 광결정 제조과정서로 짝을 이루는 DNA 염기서열로 코팅된 사면체 입자와 구형 입자를 만들어 결합하면 표면의 DNA가 서로 결합해 오른쪽과 같이 다이아몬드 구조와 파이로클로로 구조가 서로 침투한 라베스 구조가 얻어진다. 여기서 파이로클로로 구조를 제거하면 다이아몬드 구조를 얻을 수 있다. [성균관대 제공=연합뉴스]

빛의 방향을 제어하려면 전자를 제어하는 실리콘 반도체 소재와 같은 광결정 소재가 필요하다.

다이아몬드 구조는 탄소로 이루어진 다이아몬드 결정 구조처럼 나노입자가 3차원 공간에 배열된 결정 구조로 1990년 이 구조가 우수한 광결정 구조라는 것이 보고된 후 이를 실제로 만들기 위해 연구가 활발히 진행됐으나 성공을 거두지 못했다. 연구팀은 아데닌(A)-티민(T), 시토신(C)-구아닌(G) 등 염기가 서로 짝을 이뤄 유전정보를 전달하는 DNA를 구형 나노입자와 4면체 나노입자에 각각 붙이고 DNA가 짝을 이뤄 결합하게 하는 방법으로 다이아몬드 구조 광결정을 만드는 데 성공했다.

대면적 라베스 결정구조의 광학현미경 사진과 전자현미경 사진을 합성한 이미지
대면적 라베스 결정구조의 광학현미경 사진과 전자현미경 사진을 합성한 이미지서로 짝을 이루는 염기서열의 두 종류 DNA를 각각 사면체 입자(파란색)와 구형입자(노란색)에 코팅하고 이들을 결합시키면 형광 현미경 사진(위)과 전자현미경 사진(아래) 같은 라베스 결정구조가 얻어진다. 그림 위 왼쪽 모식도는 라베스 결정구조이고 오른쪽은 다이아몬드 구조이다. [성균관대 제공=연합뉴스]

이렇게 결합하면 4면체 입자의 꼭짓점끼리 만나 형성되는 3차원 결정구조인 파이로클로로(Pyrochlore) 구조와 다이아몬드 구조가 서로 침투한 모양의 라베스(Laves) 구조가 만들어지는데, 이 구조에서 파이로클로로 구조를 없애면 다이아몬드 구조를 얻을 수 있다고 연구팀은 설명했다.

이 교수는 이 다이아몬드형 광결정 구조는 1990년 다이아몬드 구조가 우수한 광결정 구조라는 것이 보고된 후 26년 간 미해결로 남아 있던 다이아몬드형 광결정 구조를 빛의 파장 수준에서 실험적으로 구현했다는 점에서 의미가 크다"고 설명했다.

그는 "이 연구는 광결정 구조 기반의 디스플레이, 레이저, 센서 분야에 중요한 기반이 돼 광소자에서 광컴퓨터까지 활용될 수 있다"며 "다이아몬드 구조를 제거하면 얻어지는 파이로클로로 구조도 최근 주목받는 메타물질에 활용될 수 있을 것"이라고 덧붙였다.

한국연구재단 기초연구원사업 등의 지원을 받아 수행된 이 연구결과는 국제학술지 '네이처 머티리얼즈(Nature Materials. 2월 28일자)에 게재됐다.

성균관대 화학공학부 이기라 교수
성균관대 화학공학부 이기라 교수[성균관대 제공=연합뉴스]

scitech@yna.co.kr

<저작권자(c) 연합뉴스, 무단 전재-재배포 금지>2017/02/28 01:00 송고

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