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그래핀, 환경 친화적이면서 저렴하게 대량 생산하는 길 열렸다!

작은 가방을 메고 있던 한 여성이 잠시 후 가방에서 무언가를 꺼낸다. 그녀가 꺼낸 것은 바로 돌돌 말려있던 e-book! 말아서 작게 만들어 갖고 다닐 수 있어 여성들의 작은 가방에도 충분히 들어가기 때문에 많은 이들이 애용하고 있다.

EFG법을 이용한 그래핀 형성 메커니즘 모식도. 볼밀 과정에서 분쇄된 흑연이 주변의 이산화탄소와 반응하여 기능화된 그래핀이 형성되고 있다.

그리 멀지 않은 미래에 이런 일들을 우리 생활 속에서 자연스럽게 볼 수 있지 않을까?
이 모든 것을 가능하게 하는 것은 바로 ‘꿈의 신소재’라 불리는 ‘그래핀’ 이다. 그래핀흑연의 표면층을 한 겹만 떼어낸 탄소나노물질로, 육각형 형태의 벌집 모형의 결정 구조를 이루고 있으며, 최근 디스플레이, 에너지, 환경, 반도체 소자 등에서 주목받고 있다.

지난 2004년, 가임(Geim)과 노보셀로프(Novoselov) 교수 연구팀이 스카치테이프를 이용해 흑연으로부터 마이크로미터* 크기의 그래핀을 떼어내고 그래핀의 탁월한 물리적․전기적 특성을 밝히면서 그래핀은 기존에 사용되는 고가의 물질들을 대체할 수 있는 ‘꿈의 신소재’로 떠올랐다. 그러나 기계적인 방법으로 얻을 수 있는 그래핀의 양은 매우 적어 실제로 활용하기에는 한계가 있었다.

그래핀의 구조 @CORE-Materials / http://www.flickr.com/photos/core-materials/5057399792

현재, 그래핀을 대량 생산하기 위해 가장 많이 사용되고 있는 방법은 19세기부터 사용해온 흑연을 강산과 산화제로 처리하여 산화흑연을 만든 후 초음파분쇄 과정을 거쳐 산화 그래핀을 얻고, 이를 다시 환원시켜 최종적으로 그래핀을 얻는 것이다.

그러나 흑연을 산화시키기 위해서는 강산과 산화제를 사용해야 하기 때문에 환경적인 문제가 발생하고, 흑연의 산화와 초음파 분쇄 과정을 거쳐 생성된 그래핀은 완벽한 결정구조에서 나타나는 우수한 전기적·구조적 특성을 잃어버린다. 이 특성을 복원하기 위해서는 산화된 그래핀을 유독한(발암물질) 환원제로 환원시키는 과정을 거치지만 그렇다고 100% 환원되는 것도 아니다. 약 70%만 환원되고 30%는 산화된 상태로 남기 때문에 성능이 뛰어난 그래핀을 생산하는데 어려움이 있었다. 하지만 최근 친환경적인 방법으로 그래핀을 대량 생산할 수 있는 신기술이 국내 연구진의 주도로 개발되면서 다시 주목을 받고 있다.

그래핀의 대량 생산 가능성을 밝혀준 이번 연구는 울산과기대 백종범 교수가 주도하고 전인엽 박사과정생(제1저자), 장동욱 박사, 리밍 다이 교수 등이 참여했으며, 유독물질(강산, 강한 부식성 산화제)을 이용해 복잡한 과정을 거쳐 생산하는 기존의 그래핀 제조 방법의 단점을 극복하여, 친환경적이면서도 저렴하게 그래핀을 대량 생산하는 신기술(EFG 기술)을 개발하는데 성공하였다. 

전인엽 박사과정생 (앞줄 왼쪽 첫 번째), 백종범 교수 (앞줄 왼쪽 두 번째) 장동욱 박사 (뒷 줄 왼편 두 번째)를 포함한 UNIST 연구팀

백 교수팀은 흑연을 드라이아이스(고체상태의 이산화탄소)와 함께 볼밀 용기(ball mill, 대표적 분쇄기)에 넣고 고속으로 분쇄할 때, 분쇄된 흑연이 주위에 존재하는 이산화탄소와 반응하여 가장자리가 카르복실산으로 기능화된 흑연(EFG, edge-functionalized graphite)이 합성되고, EFG를 물과 같은 친환경용매에 분산하면 그래핀이 생성되는 매우 간단한 EFG 기술을 처음으로 개발하였다. 연구팀이 개발한 EFG 기술을 이용하면 분쇄할 때 이산화탄소 대신 다른 물질을 이용해 그래핀 가장자리에 다양한 기능을 갖는 그래핀을 생산해낼 수 있다.

백종범 교수는 “이번 연구는 매우 간단한 장비인 볼밀을 이용해 화학적 용매나 유독물질을 포함하지 않는 친환경적인 공법으로 대량 생산하는 원천기술을 개발한 것으로, 150년 역사의 산화·환원법을 통해 그래핀을 생산하는 기술을 대체할 수 있는 탁월한 기술이 될 것으로 기대된다”고 연구의의를 밝혔다. 

이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 일반연구자지원사업(기본연구), 미공군협력사업 및 WCU육성사업 등의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 세계적으로 권위 있는 과학전문지인 ‘미국립과학원회보(PNAS)’에 3월 27일자로 게재되었다. (논문명: Edge-carboxylated graphene nanosheets via ball milling)

문의처 |
UNIST 친환경에너지공학부 백종범 교수 (052-217-2510)
교육과학기술부 기초연구지원과 김래수 사무관(02-2100-6831)
한국연구재단 전략홍보실 정책홍보팀 조은혜 선임연구원(042-869-6116)

자료 | 교육과학기술부 보도자료

 

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굿가이(Goodguy)

우리 생활 속 과학이야기

포도추출물기억력을 상승시킨다?

지난 5일 교육과학기술부와 한국연구재단에서는 보도자료를 통해 포도추출물로 알츠하이머 병을 예방하고 치료할 수 있는 길이 열렸다고 전했습니다. 그동안 알츠하이머병은 치매를 일으키는 가장 흔한 퇴행성 뇌질환으로 공포의 대상이었는데요, 포도추출물이 기억력을 향상시켜 퇴행성 뇌질환을 치료할 수 있다는 이번 연구결과로 치료법에 박차를 가할 수 있게 되었습니다.

출처:플리커(@catsper)

당뇨병은 알츠하이머병의 위험인자로, 특히 신경세포의 퇴행성변화와 신경염증을 촉진시켜 심각한 기억력 저하를 초래하는 것으로 알려져 있었으나 현재까지 당뇨병에 의한 중추신경계의 생태병리학적 메커니즘은 명확히 밝혀지지 않았습니다.

경상대 노구섭 교수(40세)가 주도하고 전병탁 박사(제1저자) 등이 참여한 연구팀은 장기간 고지방식을 먹은 비만쥐를 통해 혈액, 간, 지방 및 뇌에서 인슐린저항성과 지방세포의 염증뿐만 아니라, 해마*에서 신경세포의 퇴행성변화를 관찰하였습니다.

기억과 학습을 담당하는 해마에서 신경세포 인슐린 저항성이 증가하는 것이 에너지대사(AMPK/ACC)신호전달계, 신경전달물질(콜린아세틸전이효소)의 분비감소 및 지질과산화와 타우(tau)인산화의 증가를 유도하여 결국 신경세포의 퇴행성변화를 일으킨다는 사실을 확인하였는데요, 뿐만 아니라 이러한 비만으로 인한 기억력 손상은 포도추출물(레스베라트롤*)을 먹으면 개선된다는 사실도 밝혀냈습니다.  

※ 해마(Hippocampus) : 대뇌의 양쪽 관자엽(측두엽)안에 존재. 일화, 학습과 기억 등 인지기능 담당
*) 레스베라트롤(resveratrol) : 식물이 곰팡이나 해충 같은 좋지 않은 환경에 직면했을 때 만들어내는 식물성 천연 폴리페놀계 물질로, 포도껍질, 포도씨, 땅콩에 들어 있음

고지방식과 함께 레스베라트롤을 섭취한 쥐는 인슐린 저항성 등이 억제되어 학습효과와 기억력 감퇴가 회복되었음을 관찰하였는데, 이는 레스베라트롤이 비만에 의한 당뇨로 발생된 만성염증과 신경염증을 감소시킬 뿐만 아니라 기억력 손상도 개선하였음을 나타내는 것이었습니다.

(왼쪽부터) 노구섭 경상대 교수, 신현주 박사과정생, 정은애 연구원, 전병탁 박사

노구섭 교수는 “이번 연구를 통해 대표적인 퇴행성뇌질환인 알츠하이머병을 지연시키는 약물을 개발하는데 중요한 단서를 제공하고, 향후 당뇨병 등 난치성 또는 퇴행성 질환의 새로운 치료법을 개발하는데 단초를 제공할 것으로 기대한다”고 연구의의를 밝혔습니다. 

한편, 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 선도연구센터사업(MRC)과 경상남도의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 내분비와 대사분야의 권위 있는 학술지인 ‘미국당뇨병학회지(Diabetes)' 온라인 속보(2월 23일자)에 게재되었습니다.
(논문명: Resveratrol attenuates obesity-associated peripheral and central inflammation and improves memory deficit in high fat diet-fed mice)

[실험내용]


그림 1. 장기간의 고지방식이는 지방간과 간세포의 염증을 유발함. (A) 간세포사이에 지방망울이 축적됨. (B) 간세포에서의 지질과산화(lipid peroxidation; 4-HNE) 증가 (C) 간세세포에서 대식세포(macrophage; F4/80) 증가.

그림 2. 기억과 학습 중추인 해마부위에서의 인슐린 저항성 증가는 신경세포의 에너지대사 신호전달계의 감소와 TAU인산화 증가에 따른 신경퇴행성을 유도함.

그림 3. 모리스수중미로검사(Morris water maze test)를 이용하여 기억력 손상유무를 확인함. 도피대를 찾아 올라갈때까지의 잠재기(latency), 수영거리, 그리고 도피대가 있었던 곳에 머무르는 시간을 비교 분석하였음. 고지방식이(HFD) 동물군에 비해 레스베라트롤(HFD+RES)을 섭취한 동물군의 기억력이 향상됨을 알 수 있음.

C57BL/6 생쥐를 이용해서 저지방식이, 고지방식이, 고지방식이에 레스베라트롤을 넣은 식이 그리고 저지방식이에 레스베라트롤을 넣은 식이 이렇게 4개의 동물군으로 나누어 20주 동안 실험을 진행한다. 20 주 후에 기억력 손상을 확인하기 위해서 모리스수중미로검사*를 실행한다.

(*모리스수중미로검사 : 학습과 기억능력을 평가하기 위하여 많이 사용되는 검사법으로 동물이 숨겨진 도피대를 찾기 위해 단서를 이용하면서 수영을 해야 하는 공간 탐색 방법.)

대사인자(metabolic parameters)의 변화를 알아보기 위해서 ELISA를 실시한 결과 일반적인 제2형 당뇨의 증상과 동일하게 고인슐린증, 고렙틴혈증 그리고 저아디포넥틴혈증 등이 발생하였고, 혈청내 TNF-α의 수치도 증가하였다.

고지방식이 동물군에서는 간과 지방세포에서의 대식세포(macrophage)의 침투와 인슐린저항성(insulin resistance)이 나타났으며 레스베라트롤이 이를 억제해주는 결과를 얻었다. 고지방식이 동물군의 해마(hippocampus)에서 TNF-α와 Iba-1(미세아교세포 표지자)의 발현이 증가하였지만 레스베라트롤에 의해 감소되었다.

또한 고지방식이 동물군에서 AMPK의 활성이 감소하였고, Tau 단백질의 인산화가 증가하지만 레스베라트롤을 처리한 동물군에서는 AMPK의 활성의 증가와 Tau단백질의 인산화가 감소하는 효과가 나타났다. 신경전달물질인 아세틸콜린(acetylcholine)을 합성하는 콜린아세틸 전이효소(ChAT)가 고지방식이군에서 감소되었으며, 레스베라트롤을 처리한 동물군에서 증가되었다. 그리고 모리스수중미로의 결과에서도 고지방식이 동물군에서 낮은 학습효과 및 기억력 감퇴를 보였지만 레스베라트롤을 처리한 군에서 회복되는 효과를 얻었다.

 

자료 | 교육과학기술부, 한국연구재단 보도자료

 


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