車 상황 따라 바퀴 커졌다, 작아졌다… '네이처' 접수한 K-과학

김도년 서울대 교수팀의 '나노 DNA를 이용한 종이접기 구현'연구가 6일 국제학술지 「네이처」에 게재됐다. 사진 과학기술정보통신부

차량 상황에 따라 크기가 바뀌는 바퀴, 특정 자극에 반응하는 트랜스포머 로봇…. 국내 연구진이 하나의 구조체를 다양한 형태로 변형할 수 있는 유전자정보(DNA) 나노기술 개발에 성공했다.

과학기술정보통신부는 과학난제 도전 융합연구개발 사업으로 수행된 김도년 서울대 교수팀의 ‘종이접기 원리에서 착안한 DNA 나노기술’ 연구가 국제학술지 ‘네이처’ 표지 논문에 6일 소개됐다고 밝혔다.

‘DNA 나노기술’에선 DNA가 가진 분자 인식 등의 특성을 살려 물리적 재료로 활용해 새로운 물질을 만드는 게 도전 과제다. 특히 약물전달·분자진단 등 다양한 분야에서 활용될 수 있어 세계에서 관련 분야의 연구가 활발히 이어져 왔다.

김 교수팀의 연구는 하나의 종이를 다양한 모양으로 접을 수 있는 ‘종이접기’에서 착안한 게 특징이다. 선행 연구에선 나노 구조체 구조 변형을 위해 경첩·관절 등 기계적 요소를 활용했는데 변형이 제한적이었는데, 이를 극복할 수 있게 된 것이다.

DNA를 2차원 격자 형태로 구성한 ‘DNA 와이어프레임 종이’로 만들고, 원하는 부분의 접힘·펼침을 선택적으로 조절해 다양한 모양으로 바꿀 수 있는 게 핵심 아이디어다. 얇은 종이는 접기 쉽지만 약하고 두꺼운 종이는 접기 어렵다는 점에서 착안해, 구조적으로도 안정되면서 접히는 부분의 강성을 최적화한 구조를 찾아냈다.

김 교수는 “종이접기 공학은 로봇이나 우주발사체 구조물 설계·제작에 많이 사용되고 있는데, 이를 나노 크기에서도 구현할 수 있는 새로운 방법을 제안한 성과를 인정받았다”며 “기존의 기술들과 결합을 해서 다양한 형태로 발전 가능성이 있을 것”이라고 말했다. 그러면서 분자진단을 위한 나노 센서, 약물전달을 위한 나노로봇 등의 분야에서 큰 파급 효과가 있을 것으로 기대했다.

경금속 전자이동 ‘야구선수 변화구’처럼 제어 

최경민 성균관대 교수와 이현우 포항공대(포스텍) 교수 연구팀이 경금속 내부에서 전자 궤적을 야구 변화구처럼 휘도록 제어하는 것을 세계 최초로 성공했다. 사진 과학기술정보통신부

한편 중금속에서 전자의 궤적을 휘도록 하는 효과를 경금속에서 세계 최초로 시현한 최경민 성균관대 교수, 이현우 포항공대(포스텍) 교수 연구팀의 논문도 같은 날 ‘네이처’에 실렸다. 연구는 과기정통부의 기초연구사업(중견연구) 지원으로 수행됐다.

야구 투수가 빠른 공과 느린 공, 직구와 변화구를 자유자재로 구사하면 승률이 높아지는 것처럼 전자소자에서도 궤적을 자유롭게 조절할 수 있으면 성능이 향상된다. 기존 연구에선 중금속에서만 전자스핀을 이용해 궤적을 휘도록 할 수 있었지만(스핀홀 효과), 연구팀은 경금속인 타이타늄에서 원자핵 주위를 도는 궤도각 운동량을 제어해 전자궤도를 휘도록 했다.

특히 차세대 메모리로 주목받는 자성메모리(MRAM) 분야에서 에너지 효율과 속도 향상에 기여할 수 있을 것으로 연구팀은 보고 있다. MRAM은 D램과 플래시메모리의 장점을 모두 가져 데이터 처리 속도가 빠르고 전원이 없어도 데이터가 사라지지 않는 게 특징이다. 여기에 기존 메모리보다 에너지 효율도 높다.

최경민 교수는 “MRAM의 동작 성능을 높이려면 소비 전력이 감소해야 하는데, 전자의 각운동량을 매우 효율적이고 효과적으로 제어할 수 있는 기술이 필요하다”며 “연구 결과를 각운동량의 저전력 동작 특성을 끌어내는데 적용할 것으로 기대한다”고 말했다.

고석현 기자 ko.sukhyun@joongang.co.kr