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화장품에서 세제까지, 나노는 이제 익숙한 단어가 됐다. 그러나 어렵고 심오하다는 선입견 때문에 아직 나노는 과학자들만의 영역이라는 인식이 강하다. 눈으로 보면 조금 더 가까워질까. 나노의 신기한 세계를 사진으로 준비했다.
보라색 꽃이 활짝 피었네
사진 속 보라색 꽃은 아연산화물을 지름 1nm 크기의 입자로 제작한 것이다. 물질을 나노크기로 만들면 원래 갖고 있던 성질이 변한다. 아연산화물 나노입자는 장파장 자외선(UVA)과 중파장 자외선(UVB)을 더 잘 흡수한다. 하지만 가시광선에서는 투명하게 보여 이 나노입자로 자외선 차단제를 만드려는 연구가 활발히 진행됐다. 그러나 이 입자가 특정 세포에서 독성을 가진다는 연구 결과가 발표돼 결국 화장품으로 개발하지는 못했다.
나노 국제 단위계에서 10억분의 1을 나타내는 말. nm(나노미터) 등으로 표시한다.
[나노구조물 만들기]
나노조각 VS 나노소조
나노크기의 구조물을 만드는 것은 미술 조형물을 만드는 방법과 같다. 조각과 소조처럼, 나노 구조물을 만들 때도 ‘톱다운(top-down)’과 ‘보텀업(bottom-up)’ 방식이 있다. 톱다운은 큰 석고를 조각칼로 깎듯 덩어리에서 불필요한 부분을 잘라내는 것이다. 보텀업은 찰흙을 붙여 형상을 만드는 것처럼 분자를 쌓아 원하는 모양을 만드는 것이다.
세상에서 가장 작은 투우 소
붉은 기를 향해 금방이라도 돌진할 것 같은 투우 소. 커다란 뿔이 인상적이다. 이 소의 길이는 8μm로, 적혈구의 지름과 같다. 일본 오사카대의 사토시 카와타 교수팀은 치아를 메울 때 쓰는 수지(레진)를 레이저로 깎아 소의 형상을 만들었다.
세상에서 가장 작은 변기
변기의 높이는 2nm. 일본 세이코사의 작품이다. 연구팀은 이 작은 구조물을 만들기 위해 실제 변기의 모습을 설계 소프트웨어로 그린 뒤 이 형상을 슬라이스 치즈처럼 얇게 썰어 나노 단위로 줄였다. 이 설계도대로 탄소기체를 기판에 차곡차곡 쌓아 굳혀 실제 변기와 똑같은 형상을 만들어 냈다.
[대량생산 어떻게 할까]
농장식 VS 공장식
나노 구조물을 생활에 직접 쓰려면 한 번에 많은 양을
만들어야 한다. 나노 구조물을 만드는 데 영향을 주는 요소와 정확한 모양을 만들 수 있게 도와주는 틀을 개발하는 등
나노 제조 공정도 활발히 개발 중이다.
차세대 반도체 공장, 모습을 드러내다
미국 국립표준기술원(NIST)에서 반도체 나노와이어를 만드는 새로운 공법을 개발했다. 실리콘 웨이퍼 위에 갈륨질화물 원자를 한 층씩 쌓는 것이다. 붕어빵을 구울 때처럼 틀을 이용하면 나노와이어를 일정한 모양으로 만들 수 있다. 웨이퍼의 길이는 76mm 정도로 작지만 이 속에서 나노와이어를 3만 개나 얻을 수 있었다. 현미경으로 분석한 결과, 나노와이어의 모양과 지름은 모두 같다는 것을 확인했다.
수소, 그래핀 꽃을 피우다
수소를 주면 그래핀이 자란다. 미국 오크리지국립연구소(ORNL)는 그래핀을 만들기 위해 구리 표면 위에 메탄을 주입했지만 메탄은 구리판 위에 잘 달라붙지 않았다. 하지만 여기에 수소를 넣자 구리판 위에 첫 번째 그래핀 층이 생기고 그 위로 두 번째, 세 번째 그래핀 층이 쌓였다. 수소를 더 많이 주면 그래핀 층은 육각형으로 변한다. 육각형의 내각은 정확히 120°. 연구 결과 수소가 메탄을 활성화시키기 때문에 그래핀을 자라게 하고, 탄소원자 사이의 약한 결합을 완전히 제거해 그래핀의 모양을 바꾼다는 것이 밝혀졌다.
[신기한 나노 구조물 모두 모여라]
나노 반도체
머리카락 굵기의 3분의 1정도 밖에 되지 않는 부엉이 그림은 그래핀-수소 화합물로 그렸다. 이 화합물은 제임스 투어 미국 라이스대 화학과 교수팀이 그래핀에 수소원자를 붙여 표면의 성질을 바꾼 것이다. 특정 온도 이상에서는 불규칙한 배열을 보이다가도 그 온도 이하로 떨어지면 다시 규칙적으로 배열된다. 화합물은 이 과정에서 형광빛을 내는데, 이 성질을 이용해 전자기기나 광기기의 반도체로 사용할 예정이다.
나노 밧줄
미국 로렌스버클리국립연구소 연구팀은 기존 나노 소재를 꼬아 새로운 ‘나노 밧줄’을 만들었다. 밧줄의 지름은 600nm 정도이고, 단백질인 ‘콜라겐’의 모양을 흉내 냈다.
나노 의약품
얼키 루스라티 UC산타바바라 의대 교수팀은 심혈관계 질환을 치료할 수 있는 나노 의약품을 개발했다. 지질을 구성하는 분자들을 모아 섞으면 이 분자들은 ‘마이셀’이라는 둥근 캡슐 모양의 구조를 만든다. 이 캡슐은 온몸을 돌아다니며 혈관을 막고 있는 플라그를 녹인다.
나노 캡슐
현택환 서울대 화학생물공학부 교수팀은 황화구리와 황화인듐을 230℃에서 10분 동안 반응시켜 도토리 모양의 나노 캡슐을 만들었다. 사진은 원래 흑백이지만 모양을 강조하기 위해 색을 입혔다. 고동색부분은 황화구리가 상대적으로 더 많고 초록색 부분은 황화인듐이 많다. 같은 온도라도 반응시간을 늘리면 도토리의 모양은 점점 길어진다. 반응온도와 시간을 조절하면 병, 애벌레 등 다양한 모양의 나노 캡슐도 만들 수 있다. 캡슐 안은 비어 있어 약물을 넣어 운반할 수 있다.
나노 센서
독일 KIT센터와 프랑스 IPCMS 연구팀은 파란 볼펜의 염료인 수소-프탈로시아닌을 이용해 세상에서 가장 작은 분자 센서를 개발했다. 전류가 흐르면 분자의 전자가 회전하며 전자의 스핀에 정보가 입력된다. 전류가 끊겨도 전자의 스핀은 그대로 유지되기 때문에 정보를 저장하는 데 에너지가 들지 않는다. 연구팀은 이렇게 전류에 따라 저항이 달라지는 유기분자를 이용해 다른 전자부품도 만들 예정이다.
나노 자동차
네덜란드 그로닝겐대 티보 쿠더낙 교수팀은 탄소, 수소, 질소를 적정비율로 섞어 전기 자동차를 만들었다. 자동차의 크기는 1nm 밖에 되지 않지만 실제 자동차처럼 네 개의 바퀴가 달려있고, 이 바퀴로 움직일 수도 있다. 연구팀이 분자자동차를 구리판 위에 놓고 주사형터널현미경(STM)의 미세한 끝 부분을 분자자동차에 갖다 대자 바퀴가 5번 굴러 6nm 앞으로 이동했다. 구리판에서 튀어나온 전자가 자동차의 바퀴 속으로 들어가면서 형태를 바꿔 앞으로 굴러가게 되는 것이다.
나노 트랜지스터
미국 펜실베이니아주립대 전자광학센터의 조수아 로빈슨 교수팀은 그래핀으로 지름 100nm 정도의 초소형 트랜지스터를 개발했다. 놀랍게도 트랜지스터 속에는 2만 2000개 이상의 미세구조가 들어있다. 그래핀 속에서 전자는 빠르게 이동하기 때문에 이 트랜지스터를 이용하면 지금보다 1000배나 빨리 정보를 처리할 수 있다.
보라색 꽃이 활짝 피었네
사진 속 보라색 꽃은 아연산화물을 지름 1nm 크기의 입자로 제작한 것이다. 물질을 나노크기로 만들면 원래 갖고 있던 성질이 변한다. 아연산화물 나노입자는 장파장 자외선(UVA)과 중파장 자외선(UVB)을 더 잘 흡수한다. 하지만 가시광선에서는 투명하게 보여 이 나노입자로 자외선 차단제를 만드려는 연구가 활발히 진행됐다. 그러나 이 입자가 특정 세포에서 독성을 가진다는 연구 결과가 발표돼 결국 화장품으로 개발하지는 못했다.
나노 국제 단위계에서 10억분의 1을 나타내는 말. nm(나노미터) 등으로 표시한다.
[나노구조물 만들기]
나노조각 VS 나노소조
나노크기의 구조물을 만드는 것은 미술 조형물을 만드는 방법과 같다. 조각과 소조처럼, 나노 구조물을 만들 때도 ‘톱다운(top-down)’과 ‘보텀업(bottom-up)’ 방식이 있다. 톱다운은 큰 석고를 조각칼로 깎듯 덩어리에서 불필요한 부분을 잘라내는 것이다. 보텀업은 찰흙을 붙여 형상을 만드는 것처럼 분자를 쌓아 원하는 모양을 만드는 것이다.
세상에서 가장 작은 투우 소
붉은 기를 향해 금방이라도 돌진할 것 같은 투우 소. 커다란 뿔이 인상적이다. 이 소의 길이는 8μm로, 적혈구의 지름과 같다. 일본 오사카대의 사토시 카와타 교수팀은 치아를 메울 때 쓰는 수지(레진)를 레이저로 깎아 소의 형상을 만들었다.
세상에서 가장 작은 변기
변기의 높이는 2nm. 일본 세이코사의 작품이다. 연구팀은 이 작은 구조물을 만들기 위해 실제 변기의 모습을 설계 소프트웨어로 그린 뒤 이 형상을 슬라이스 치즈처럼 얇게 썰어 나노 단위로 줄였다. 이 설계도대로 탄소기체를 기판에 차곡차곡 쌓아 굳혀 실제 변기와 똑같은 형상을 만들어 냈다.
[대량생산 어떻게 할까]
농장식 VS 공장식
나노 구조물을 생활에 직접 쓰려면 한 번에 많은 양을
만들어야 한다. 나노 구조물을 만드는 데 영향을 주는 요소와 정확한 모양을 만들 수 있게 도와주는 틀을 개발하는 등
나노 제조 공정도 활발히 개발 중이다.
차세대 반도체 공장, 모습을 드러내다
미국 국립표준기술원(NIST)에서 반도체 나노와이어를 만드는 새로운 공법을 개발했다. 실리콘 웨이퍼 위에 갈륨질화물 원자를 한 층씩 쌓는 것이다. 붕어빵을 구울 때처럼 틀을 이용하면 나노와이어를 일정한 모양으로 만들 수 있다. 웨이퍼의 길이는 76mm 정도로 작지만 이 속에서 나노와이어를 3만 개나 얻을 수 있었다. 현미경으로 분석한 결과, 나노와이어의 모양과 지름은 모두 같다는 것을 확인했다.
수소, 그래핀 꽃을 피우다
수소를 주면 그래핀이 자란다. 미국 오크리지국립연구소(ORNL)는 그래핀을 만들기 위해 구리 표면 위에 메탄을 주입했지만 메탄은 구리판 위에 잘 달라붙지 않았다. 하지만 여기에 수소를 넣자 구리판 위에 첫 번째 그래핀 층이 생기고 그 위로 두 번째, 세 번째 그래핀 층이 쌓였다. 수소를 더 많이 주면 그래핀 층은 육각형으로 변한다. 육각형의 내각은 정확히 120°. 연구 결과 수소가 메탄을 활성화시키기 때문에 그래핀을 자라게 하고, 탄소원자 사이의 약한 결합을 완전히 제거해 그래핀의 모양을 바꾼다는 것이 밝혀졌다.
[신기한 나노 구조물 모두 모여라]
나노 반도체
머리카락 굵기의 3분의 1정도 밖에 되지 않는 부엉이 그림은 그래핀-수소 화합물로 그렸다. 이 화합물은 제임스 투어 미국 라이스대 화학과 교수팀이 그래핀에 수소원자를 붙여 표면의 성질을 바꾼 것이다. 특정 온도 이상에서는 불규칙한 배열을 보이다가도 그 온도 이하로 떨어지면 다시 규칙적으로 배열된다. 화합물은 이 과정에서 형광빛을 내는데, 이 성질을 이용해 전자기기나 광기기의 반도체로 사용할 예정이다.
나노 밧줄
미국 로렌스버클리국립연구소 연구팀은 기존 나노 소재를 꼬아 새로운 ‘나노 밧줄’을 만들었다. 밧줄의 지름은 600nm 정도이고, 단백질인 ‘콜라겐’의 모양을 흉내 냈다.
나노 의약품
얼키 루스라티 UC산타바바라 의대 교수팀은 심혈관계 질환을 치료할 수 있는 나노 의약품을 개발했다. 지질을 구성하는 분자들을 모아 섞으면 이 분자들은 ‘마이셀’이라는 둥근 캡슐 모양의 구조를 만든다. 이 캡슐은 온몸을 돌아다니며 혈관을 막고 있는 플라그를 녹인다.
나노 캡슐
현택환 서울대 화학생물공학부 교수팀은 황화구리와 황화인듐을 230℃에서 10분 동안 반응시켜 도토리 모양의 나노 캡슐을 만들었다. 사진은 원래 흑백이지만 모양을 강조하기 위해 색을 입혔다. 고동색부분은 황화구리가 상대적으로 더 많고 초록색 부분은 황화인듐이 많다. 같은 온도라도 반응시간을 늘리면 도토리의 모양은 점점 길어진다. 반응온도와 시간을 조절하면 병, 애벌레 등 다양한 모양의 나노 캡슐도 만들 수 있다. 캡슐 안은 비어 있어 약물을 넣어 운반할 수 있다.
나노 센서
독일 KIT센터와 프랑스 IPCMS 연구팀은 파란 볼펜의 염료인 수소-프탈로시아닌을 이용해 세상에서 가장 작은 분자 센서를 개발했다. 전류가 흐르면 분자의 전자가 회전하며 전자의 스핀에 정보가 입력된다. 전류가 끊겨도 전자의 스핀은 그대로 유지되기 때문에 정보를 저장하는 데 에너지가 들지 않는다. 연구팀은 이렇게 전류에 따라 저항이 달라지는 유기분자를 이용해 다른 전자부품도 만들 예정이다.
나노 자동차
네덜란드 그로닝겐대 티보 쿠더낙 교수팀은 탄소, 수소, 질소를 적정비율로 섞어 전기 자동차를 만들었다. 자동차의 크기는 1nm 밖에 되지 않지만 실제 자동차처럼 네 개의 바퀴가 달려있고, 이 바퀴로 움직일 수도 있다. 연구팀이 분자자동차를 구리판 위에 놓고 주사형터널현미경(STM)의 미세한 끝 부분을 분자자동차에 갖다 대자 바퀴가 5번 굴러 6nm 앞으로 이동했다. 구리판에서 튀어나온 전자가 자동차의 바퀴 속으로 들어가면서 형태를 바꿔 앞으로 굴러가게 되는 것이다.
나노 트랜지스터
미국 펜실베이니아주립대 전자광학센터의 조수아 로빈슨 교수팀은 그래핀으로 지름 100nm 정도의 초소형 트랜지스터를 개발했다. 놀랍게도 트랜지스터 속에는 2만 2000개 이상의 미세구조가 들어있다. 그래핀 속에서 전자는 빠르게 이동하기 때문에 이 트랜지스터를 이용하면 지금보다 1000배나 빨리 정보를 처리할 수 있다.
