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IBS 스토리

  • Research News 2차원 자석 자성 상태 최초 조절한다 2차원 자석 자성 상태 최초 조절한다 2차원 자석 자성 상태 최초 조절한다 - 2차원 물질 이용한 고성능 스핀소자 실현 앞당겨 – 2차원 자석은 전자의 고유 물리량인 ‘스핀’을 정보 저장과 처리에 사용하는 ‘스핀정보소자(spintronics)’ 를 구현할 핵심 소재 중 하나지만 2차원 자석 자체가 드물어 연구가 어려웠다. 지난 해 IBS와 공동 연구진은 고온에서도 자성이 유지되고 전기가 통하는 2차원 층상 물질인 철-저마늄-다이텔루라이드(이하 Fe 4 GeTe 2 )의 설계 및 합성에 성공한 바 있다. 전자 소자가 0과 1 정보를 담은 수많은 트랜지스터로 이루어지듯, 스핀 정보 입·출력을 위해서는 다양한 자성상태를 갖는 자석을 서로 접합시켜야 한다. 따라서 2차원 자석에서 자성상태를 조절하는 것이 중요한 과제였다. 기초과학연구원(IBS) 원자제어 저차원 전자계 연구단 김준성 연구위원과 공동 연구진은 4가지 서로 다른 자성 상태를 조절할 수 있는 2차원 자석을 합성해냈다. 이로써 하나의 소재에서 다양한 스핀 정렬 상태를 유도하는 것이 가능해져, 향후 차세대 스핀 소자에 대한 다양한 연구를 가능케 할 것으로 기대된다. ▲ 연구진이 합성한 새로운 2차원 자석 모식도와 4가지 자성상태 ▲ 철 원자를 코발트로 치환한 2차원 자석 사진 연구진은 층 사이 자성결합 세기에 따라 Fe 4 GeTe 2 의 자성상태가 민감하게 변하는 데 착안했다. 이에 층간 결합 세기를 조절하기 위해 Fe 4 GeTe 2 의 일부 철 원자를 다른 원자로 치환하는 실험을 계획했다. 철 원자와 비슷한 망간, 코발트, 갈륨, 루테늄 원자를 후보로 하여, 각 원자로 치환했을 때 자성상태를 계산하고 실제 합성과 측정 실험을 수행했다. 그 결과 철을 코발트로 치환한 철-코발트-저마늄-다이텔루라이드(이하 Fe 4- x Co x GeTe 2 )가 4가지 자성상태를 가질 수 있음을 발견했다. Fe 4- x Co x GeTe 2 는 코발트 원자 농도에 따라 다른 자성상태를 갖는다. 이때 자성의 정렬에 따라 강자성과 반(反)강자성(물질 내부의 스핀이 스스로 정렬하여 외부 자기장과 상관없이 자성을 띠는 특성. 강자성은 이웃한 스핀이 같은 방향으로, 반강자성은 서로 반대방향으로 정렬한 경우에 해당된다) 방향에 따라 수직 이방성과 수평 이방성(물질의 물리적 성질이 방향에 의존함)이 조합되는 4가지 자성상태를 가질 수 있었다. ▲ 코발트 원자 농도와 자석 두께에 따른 자성 변화 이번에 발견한 물질은 코발트 농도 뿐아니라 박막의 층수를 조절해 자성 상태를 조절할 수 있다. 4가지 자성상태는 특정 온도 영역에서 나타나는데, 층수에 따라 그 영역이 달라진다. 따라서 층수를 변경하면 같은 온도라도 다른 자성 상태를 갖게 된다. 이는 자성상태를 자유자재로 조절할 수 있는 최초의 2차원 자석으로, 향후 서로 다른 자성상태의 층을 결합하면 스핀정보 처리에 유용한 특성을 유도할 수 있을 것으로 기대된다. 공동 교신저자인 김준성 연구위원은 “화학적인 조성과 물리적인 두께를 바꿔서 2차원 자석 후보 물질의 자성상태를 조절할 수 있음을 계산과 실험으로 보였다”며 “2차원 자석을 이용한 스핀소자에 여러 기능을 구현할 수 있는 중요한 발판이 될 것”이라고 말했다. 이번 연구는 국제학술지 ‘네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’지에 5월 14일 온라인 게재됐다. IBS 커뮤니케이션팀 최지원 2차원 자석 자성 상태 최초 조절한다
  • Research News 코로나19 감염, 도라지로 막는다 코로나19 감염, 도라지로 막는다 코로나19 감염, 도라지로 막는다 -도라지 사포닌 플라틴코딘 D에 의한 코로나바이러스 감염 억제 메커니즘 규명- -코로나 바이러스 감염증-19 치료에 새로운 가능성 제시- 인류는 역사적으로 자연으로부터 약물을 찾고, 약제를 개발하여 수많은 질병을 극복해왔다. 대표적으로 푸른곰팡이에서 유래한 페니실린, 버드나무 껍질에서 얻은 아스피린이 있다. 도라지 (길경, platycodon grandiflorus) 는 한국을 비롯한 동아시아 지역에서 식용 및 약재로 널리 사용되어 왔다. 도라지는 인후통, 감기로 인한 기침, 가래, 기관지염증 등 호흡기 질환 치료에 효과가 있다고 알려져 있다. 이는 도라지에 함유된 사포닌의 일종인 ‘플라티코딘 D(playcodin D) 1) ’덕분이다. 1)플라티코딘 D(playcodin D) : 도라지에 풍부한 트리테르페노이드 사포닌(triterpenoid saponins)의 일종 기초과학연구원 (IBS, 원장 노도영) 인지 및 사회성 연구단 이창준 단장 연구팀은 한국 파스퇴르 연구소 김승택 박사 연구팀과 공동연구로 도라지 사포닌 플라티코딘 D가 사스코로나바이러스-2(이하 코로나바이러스) 감염을 억제 한다는 사실을 규명하였다. 도라지는 천연물 유래 약재로서 주위에서 쉽게 접할 수 있고 수백-수천년 동안 사용되어 안정성이 입증된 만큼, 코로나19 치료의 새로운 후보약물이 될 것으로 기대된다. 코로나바이러스는 표면의 돌기(스파이크 단백질)를 이용해 숙주세포 내로 침투한다. 육상화 밑면의 스파이크가 지면과의 마찰력을 높이듯, 스파이크 단백질은 바이러스를 숙주세포의 ACE2수용체에 강하게 결합시킨다. 이때 단백질 분해효소인 1)라이소솜의 카텝신(cathepsin) 또는 2)세포막에 위치한 TMPRSS2가 스파이크 단백질의 일부를 자르면 바이러스-세포간 막 융합이 일어나 비로소 바이러스 감염이 이뤄진다. 즉 코로나 바이러스는 카텝신, TMPRSS2라는 2가지 경로를 통해 침투하는 것 이다. 따라서 이들 단백질 분해효소의 활성을 억제하면 바이러스 침투를 차단할 수 있다. 이를 이용한 대표적 약물에는 카텝신 저해제인 글로로퀸(chloroquine), TMPRSS2 저해제인 카모스타트(camostat), 나파모스타트(nafamostat) 가 있다. 그러나 이들 약제는 카텝신과 TMPRSS2 중 한 가지 진입 경로만을 차단할 뿐, 나머지 경로를 통해 들어오는 바이러스 감염은 막지 못하는 한계가 있었다. 연구진은 코로나19가 급성 호흡기 질환인 점에 착안하여 플라티코딘 D의 코로나19 치료 효능을 관찰했다. 우선 바이러스 감염력을 측정하기 위해 코로나바이러스처럼 스파이크 단백질을 가진 ‘슈도 바이러스(psuedovirus)’를 만들었다. 이어 카텝신, TMPRSS2에 의한 코로나바이러스 진입 경로를 재현한 인간 폐세포(H1299)를 제작해 슈도 바이러스를 투입, 플라티코딘 D의 바이러스 감염억제 효과를 분석했다. 그 결과 플라티코딘 D는 두 개의 상이한 코로나바이러스 진입 경로를 효과적으로 억제 함을 발견했다. 나아가 플라티코딘 D의 감염 억제 효과가 세포막의 주요 구성물질인 콜레스트롤과 유사한 구조에서 비롯됨 을 밝혀냈다. 플라틴코딘 D는 콜레스테롤과 유사한 부위에 당이 양쪽으로 길게 붙어있는 화학구조를 가진다. 때문에 콜레스테롤과 함께 플라티코딘 D도 세포막에 박히고, 플라티코딘의 긴 당 부위가 세포막 밖으로 돌출되어 바이러스 감염의 필수 과정인 바이러스-세포간 막융합을 저해하는 것이다. 연구진은 도라지를 주요성분으로 하는 천연물의약품과 식품 중 ‘용각산’과 ‘도라지 청’도 코로나 바이러스 감염억제효과가 있음을 관찰하였다. 또한 살아있는 감염성 코로나바이러스를 사용한 실험에서도 기존의 코로나바이러스 감염저해제와 비교하여 플라티코딘 D가 유일하게 두 개의 코로나바이러스 세포감염경로 모두를 효과적으로 저해 한다는 사실을 재차 확인하였다. 한편 인삼 사포닌인‘진세노사이드’와의 비교실험에서 플라티코딘 D만 효과를 보여 항 코로나 효과는 도라지에만 존재하는 플라티코딘 D 사포닌의 특성 임을 알아냈다. 최근 코로나바이러스 수용체인 ACE2가 폐 보다는 코를 포함하는 상기도 상피세포에 다량 발현한다는 연구결과가 발표되고 있다. 코로나감염 초기에 상기도에서 코로나바이러스 양(viral load)이 급속도로 증가하여 후각상실 및 무증상 감염을 야기하며, 이후 하기도(lower respiratory tract)로 내려가 폐를 감염시키는 것을 의미한다. 즉 상기도에서 코로나바이러스 체내 감염을 저지하면 초기에 코로나19를 치료할 수 있는 것이다. 이창준 단장은 “아직 실험실단계의 결과이고 인체에 대한 효능결과는 없지만 도라지에 함유된 플라티코딘 D는 일상에서 쉽게 구할 수 있고 상기도의 상피세포에 고농도로 노출 될 수 있어 특히 무증상환자나 초기 환자에게 높은 치료효과를 기대 할 수 있다”며, “현재 준비 중인 동물실험에서도 좋은 결과가 나온다면 인간 대상 임상실험도 무리없이 진행할 수 있을 것이라고 예측한다 ”고 밝혔다. 한편 연구진은 코로나바이러스 감염억제 활성이 향상된 플라티코딘D 유도체 개발도 진행 중이다. 연구 결과는 Experimental & Molecular Medicine에 5월 25일(한국시간) 게재되었다. [논문명 : Platycodin D, a natural product from Platycodin grandiflorum, prevents both lysosome- and TMPRSS2-driven SARS-CoV-2 infection by hindering membrane fusion] 코로나19 감염, 도라지로 막는다
  • Research News 그래핀 합성 시간 단축할 실마리 찾았다 그래핀 합성 시간 단축할 실마리 찾았다 그래핀 합성 시간 단축할 실마리 찾았다 韓-中연구진, 컴퓨터 시뮬레이션으로 그래핀 합성 과정 규명 그래핀을 전자소자로 활용하려면 기판 위에서 그래핀을 합성한 뒤, 분리해내는 공정이 필요하다. 이때 그래핀이 손상되기 쉬울뿐더러 분리 공정 자체도 까다롭다. 전자소자 재료 위에서 곧바로 그래핀을 합성하면 간단하지만, 합성 시간이 오래 걸린다는 문제가 있다. 한국과 중국 공동연구진이 이 문제를 해결할 단서를 발견했다. ▲ 그래핀은 탄소 원자 6개로 된 육각형 고리가 이어 붙은 2차원 물질이다. 강철보다 강하면서도 유연하고 투명하며, 전기전도성 또한 전선 소재로 쓰는 구리보다 100배 이상 좋다. 이 때문에 반도체 소자 집적 한계를 돌파할 새로운 반도체 재료로 각광받는다. (출처: Flickr) 기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단 펑딩 그룹리더(UNIST 신소재공학과 특훈교수) 연구팀은 중국 베이징대와 공동으로 그래핀의 합성속도가 금속 기판보다 실리콘과 같은 절연체 위에서 1만 배 이상 느려지는 원인을 규명했다. 그래핀은 탄소(C) 원자 6개로 된 육각형 고리가 이어 붙은 2차원 물질이다. 고품질 그래핀 합성에는 주로 화학기상증착법(CVD)이 쓰인다. 기판 위에 메탄(CH 4 ) 등 원료 기체를 주입하면, 탄소 원자가 기판에 흡착하며 하나 둘씩 붙어 그래핀이 성장하게 된다. 이때 사용되는 기판에 따라 그래핀 성장속도에 차이가 있지만, 아직까지 그 메커니즘이 명확히 밝혀지지는 않았다. 공동연구진은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 그래핀 합성 단계를 분석한 결과, 절연체와 금속 기판 위에서 그래핀 성장 과정에 차이가 있음을 발견했다. 절연체 기판을 쓸 때는 원료가 그래핀 가장자리에 달라붙는 방식으로 성장한다. 이 경우 수소가 함께 붙게 되는데, 수소 제거에 많은 에너지가 소모돼 성장이 느리다. 반면, 금속 기판을 쓰면 원료가 금속 기판을 타고 빠르게 이동할 수 있어 그래핀 성장이 빠르다. ▲ 절연체 기판(왼쪽) 위에서는 원료가 그래핀 가장자리에 붙으며 그래핀이 성장하지만, 금속 기판(오른쪽) 위에서는 원료가 금속기판을 통해 빠르게 확산한 뒤 가장자리에 붙는 방식으로 성장하기 때문에 성장 속도가 더 빠르다. 더 나아가 연구진은 그래핀 합성 속도를 앞당길 수 있는 원리도 밝혔다. 원료 물질 내 CH 3 (메틸 래디컬)의 함량에 따라 합성 속도가 달라진다는 것이다. CH 3 은 그래핀에 탄소를 공급할 뿐만 아니라 그래핀 가장자리의 수소를 제거하는 역할을 한다. 즉, 합성 과정에서 수소 제거에 추가적인 에너지를 덜 사용해도 되기 때문에 시간을 단축할 수 있다. 가령, 메탄가스가 분해돼 생기는 증기 상태 원료를 이용하면 CH 3 비율이 낮아 그래핀이 느리게 성장하지만, CVD 공정에서 사용되는 메탄가스는 CH 3 비율이 높아 상대적으로 빠른 성장이 가능하다. 펑딩 그룹리더는 “에너지 소모가 가장 많은 단계를 활성화시키면, 절연체 기판 위에서도 곧바로 그래핀을 성장시킬 수 있게 될 것”이라며 “그래핀을 활용한 반도체 제조 공정을 간소화할 수 있는 단서를 찾았다는 데 큰 의미가 있다”고 말했다. 연구결과는 나노과학 분야 국제학술지인 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 3월 22일자에 실렸다. IBS 커뮤니케이션팀 권예슬 그래핀 합성 시간 단축할 실마리 찾았다
  • IBS 최신연구 따라잡기 IBS가 알려드립니다. 과학잇슈 미국항공우주국(NASA) 중대 발표! 달나라에토끼는없어도 ○○은 있다! ch.135
  • IBS 최신연구 따라잡기 지난 10월 27일, 미국항공우주국(NASA) 연구진은 국제학술지네이처 천문학(Nature Astronomy)에 역대급 연구결과를 발표했습니다. 바로 달에 우주인이 활용할 수 있는 물이 있다는 연구결과입니다.
  • IBS 최신연구 따라잡기 달 표면은 온도가 130℃ 이상으로 액체 상태의 물이 존재하기 어렵습니다. 반면, 햇빛이 들지 않는 충돌구의 온도는 영하 180℃ 이하입니다. 여러 연구를 통해 과학자들은 햇빛이 들지 않는 이 충돌구 지역에 얼음 형태로 물이 있음을 확인했습니다.
  • IBS 최신연구 따라잡기 보잉 747기를 개조한 '성층권적외선천문대(SOFIA)'로 달을 관측하던 NASA 연구팀은 놀라운 것을 발견했습니다. 햇빛이 드는 달 표면 지역에서 물 분자의 분광 신호를 포착한 것입니다. *SOFIA: 11.6km 상공에서 비행하며 2.7m 구경 적외선 망원경으로 우주를 관측하는 연구
  • IBS 최신연구 따라잡기 달에 있는 물의 양은 약 350ml로 음료 한 캔만큼의 분량에 해당됩니다. 연구진은 햇빛에 노출된 지역임에도 물이 증발되지 않은 것은 물 분자가 모래 알갱이 사이에 끼어있거나, 운석 충돌로 생긴 유리상태의 물질안에 들어있기 때문일 것으로 추정했습니다.
  • IBS 최신연구 따라잡기 한편, 이날 미국 콜로라도대 연구진 역시 달에 관한 놀라운 연구결과를 발표했는데요. 혜성이나 운석이 충돌하면서 물이 전달돼 얼음형태로 보존돼 있을 '영구 음영지대'가 달 표면의 0.1%에 해당하는 약 4만㎢에 이른다는 것 입니다. *영구 음영지대: 온도가 영하 163℃ 아래로 내려가 있는 어두운 영역
  • IBS 최신연구 따라잡기 연구진은 NASA의 달정찰궤도선(LRO)을 이용해 10원짜리 동전만한 크기의 충돌구까지 모두 찾아낸 결과, 물 저장이 가능한 면적이 기존 예측보다 2배가량 많음을 밝혀냈습니다.
  • IBS 최신연구 따라잡기 IBS가 알려드립니다! 일상 속 과학잇슈 "우주인이 지름 수 km의 거대한 음영지대안으로 들어갈 필요없이 주변에서 쉽게 음영지대를 찾아내 바로 물을 활용할 수 있을 것" 과학자들은 이 물을 실제로 활용할 수 있을지 파악하기 위한 추가 연구를 진행할 예정입니다. 달 우주기지 건설, 심(深) 우주탐사가 한층 탄력을 받게 될 것으로 기대됩니다.

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