[투데이경제 유민석 기자] 과학기술정보통신부는 서울대학교 남기태 교수, 고려대학교 이승우 교수, 박규환 교수로 구성된 공동연구팀이 카이랄 나노 입자 기반 빛-물질 간 상호작용에 대한 새로운 물리 현상을 발견하여, 이를 생체 분자 및 그들의 카이랄성 분석에 성공적으로 응용했다고 밝혔다.

과기정통부가 신연구방법론(계산과학 등)을 활용하여 새로운 물성과 기능을 구현하는 신소재를 개발하는 ‘미래소재디스커버리지원 사업’ 등을 지원한 이번 연구의 성과는 네이처(Nature, IF 69.504)에 12월 15일 게재됐다.

자연계에 존재하는 모든 생명체들은 그들이 가진 구조와 그들을 이루는 재료에 따라 빛과 특이적인 상호작용을 가진다. 여기서, 연구팀은 다양한 생체 분자의 구조적 특징으로 인한 빛-물질 간 상호작용 중 ‘카이랄성’에 의한 분자의 원편광 특이적 상호작용에 대한 연구를 진행했다.

분자의 카이랄성은 서로 반대 방향으로 회전하는 두 원편광(좌원편광, 우원편광)에 대한 상호작용의 차이를 통해 분석될 수 있으나, 분자와 빛의 크기 불일치로 인해 빛-물질 간 상호작용이 충분히 크지 않아 분석에 고농도의 시료가 필요하고 측정 시간이 오래 소요되는 등 극명한 한계가 많았다.

연구팀은 이러한 문제에 대한 돌파구를 카이랄 금 나노 입자의 2차원 조립 구조에서 보이는 새로운 물리현상에서 발견했다. 연구팀이 활용한 카이랄 금 나노 입자는 고유의 기하 구조로 인해 입사되는 원편광과 공진하여, 원편광을 나노 입자 근처에서 효율적으로 제어할 수 있다.

나노 입자가 배열된 2차원상에 카이랄 분자를 도입하여 원편광과 카이랄 분자간의 상호작용을 성공적으로 극대화시켜 기존 광학계의 카이랄성 검출 한계를 뛰어넘는 카이랄성 민감도를 달성했다.

또한, 카이랄 금 나노 입자의 배열로 비롯된 카이랄 신호 증폭이 가시광을 포함한 영역대에 존재한다는 사실에 주목하여 특별한 도구 없이 분자의 카이랄성을 구분할 수 있는 육안 기반 카이랄성 감지기를 제시하는데 성공했다.

서울대학교 남기태 교수는 “대한민국 연구진이 함께 새로운 학문 분야를 개척하고 있다는 것에 자부심을 느끼며, 새로운 소재 개발 등 후속 연구를 통해 초격차 기술을 기반으로 한 새로운 사업을 탄생시키고자 한다”고 전했다.

공동교신저자인 고려대학교 이승우, 박규환 교수는 카이랄 금 나노 입자 격자의 광 특성과 분자 카이랄성 민감도에 대한 전자기학 시뮬레이션과 새로운 물리적 이론을 구축했으며, “생체모방 재료공학과 전산나노광학의 창의적 융합을 통해 카이랄 분자 감지의 새로운 장을 열게 됐다는 점이 크게 고무적이며, 육안으로 분자의 카이랄성을 구별할 수 있는 시대가 도래한 것이다”라고 밝혔다.

카이랄 금 나노 입자 배열 기반의 초고민감도 분자 카이랄성 분석은 다양한 생체 분자, 화학 약품, 의약품의 카이랄성 분석 등에 이용될 수 있어 생체 재료 합성 및 물질 분석이 중요한 분석학, 진단학, 약학 등 다양한 산업뿐만 아니라 화학, 생물학, 물리학 등 기초 학문 분야에도 큰 파급력을 미칠 것으로 보인다.