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[과학에세이] 공의 경험이 알려준 것들김광석 부산대 광메카트로닉스공학과 교수·‘감성물리’ 저자김광석 부산대 광메카트로닉스공학과 교수·‘감성물리’ 저자 | 입력 : 2024-09-09 18:31:01 | 본지 22면글자 크기 페이스북 공유트위터 공유네이버 공유인쇄기사 주소 복사스크랩돌이켜보면 다양한 공놀이를 하면서 나이를 먹은 것 같다. 초등학생 때는 축구와 야구를, 중학생 때는 배드민턴과 탁구를 즐겨하다 키가 훌쩍 자란 고등학생 때는 농구나 배구도 했다. 그러다 대학에 들어간 후엔 당구와 테니스를 배웠고 중년 나이부터는 가끔 골프도 한다. 평생 다양한 공을 가지고 놀면서 나는 어떤 삶의 지혜를 배웠을까? 오랜 세월 공놀이의 경험이 쌓여 지금의 구기 스포츠가 만들어졌다면 그 속에도 인간 고유의 본능과 욕망이 숨겨져 있지는 않을까?구기 스포츠는 종목에 따라 각기 다른 풍경을 보여주지만 서로 비슷한 측면을 지닌 종목도 있다. 일단 축구 야구 배드민턴 탁구 농구 배구 테니스 골프 공들 모두 중력에 반해 허공 속으로 날아올라 궤적을 남긴다. 흔히 비스듬히 던진 공의 궤적을 포물선으로 알고 있지만 공기 저항 탓에 실제 모습은 포물선과 다르다. 현실의 공은 처음엔 비탈진 직선에 가깝게 곧장 날아오르다 속력이 점차 느려지며 봉우리 같은 곡선의 모습을 드러낸다. 최고 높이에 도달한 후에는 생각보다 가파른 모습으로 떨어진다. 포물선 궤적이 최고점을 기준으로 상승과 하강 곡선이 대칭적인 모습인 것에 비해 현실의 공 궤적은 곡선 느낌을 지닌 비대칭 삼각형에 더 가깝다. 똑같은 초기 속력으로도 공이 가장 먼 곳에 도달할 수 있는 ‘최적각’ 역시 포물선 모형은 45°로 예측하지만, 실제는 그 값보다 작아야 한다. 홈런을 치려면 38°, 골프 비거리를 늘리려면 36°가 최적이다.공기 저항은 공의 크기에 따라서도 달라지고, 공의 속력과 공기 점성의 비율에 따라서도 급변할 수 있어서 현실의 공 궤적 계산은 결코 쉬운 문제가 아니지만 최근 프랑스 물리학자들은 공기 저항 효과를 고려한 후 다양한 구기 스포츠의 ‘최장거리’를 계산했다. 종목별 공의 최대 초기 속력은 기네스북에 등재된 기록을 활용했다. 그런데 놀랍게도 구기 종목별 경기장의 크기가 공의 ‘최장거리’와 유사하다는 것을 알아냈다. 그러니까 경기장의 크기는 인간의 힘으로 한 번에 공을 보낼 수 있는 가장 먼 거리를 기반으로 정해진 셈이다. 즉, 농구 축구 야구 골프 순으로 공이 가장 멀리 갈 수 있는 거리가 증가하면서 경기장은 커진다. 그런데 자세히 살펴보면 축구 농구 골프의 경우에는 공의 ‘최장거리’에 비해 경기장이 조금 더 크다. 그래서 축구와 농구는 패스가 필요하고 골프는 홀 근처에서 섬세한 접근이 필요하다.반면, 테니스 배구 탁구는 공의 ‘최장거리’에 비해 경기장의 크기가 작다. 그래서 장애물 같은 네트가 필요하며 공이 경기장 밖으로 나가지 않게 하기 위한 ‘정밀성’ 높은 제어가 요구된다. 또한 공이 ‘최장거리’를 날아가는 시간이 인간의 몸이 반응하는 평균 시간보다 짧아져 긴박한 상황에 대한 ‘반응성’도 좋아야 한다. 따라서 테니스 배구 탁구는 ‘정밀성’과 ‘반응성’ 모두를 필요로 한다. 독특하게도 배드민턴은 경기장 크기가 공의 ‘최장거리’와 거의 비슷해서 ‘반응성’이 더욱 중요한 요소가 되며 상대적으로 공의 속력이 느린 당구는 ‘정밀성’만을 요구한다.상대와 상호작용을 하며 목표를 향한다는 측면에서 구기 스포츠는 어딘가 협상이나 연애와도 닮은 점이 있다. ‘썸을 타는’ 단계에선 배드민턴 같은 즉각적 ‘반응성’이 중요하며, 주도권 선점을 위한 밀당 단계에선 네트를 넘어온 테니스 배구 탁구 공들을 대하듯 빈틈을 파고든 위기 상황에 대한 민첩한 ‘반응성’과 ‘정밀성’ 높은 묘안이 모두 필요하다. 만약 극도로 예민해진 상황이라면 당구 같은 ‘정밀성’에도 주력해야 한다. 최종 목표에 도달하기 위해선 홈런처럼 한 번에 상대의 마음을 얻을 수 있는 최적 조건을 생각해야 하고, 간혹 축구나 농구처럼 친구의 도움도 필요하다. 닿을 수 없을 만큼 먼 곳에 있는 골프 홀 같은 상대에게는 우선은 드라이브샷처럼 과감하게 다가서야 하지만 그린 영역에 들어서면 아주 조심스러워야 한다. 미세하게 기울어진 지면과 매 순간 변하는 바람조차 간과해서는 안 된다. 어쩌면 지난 세월 공의 경험이 알려준 것들은 삶의 욕망과 열정이 현실과 마주하는 방법에 대한 지혜가 아니었을까?ⓒ국제신문(www.kookje.co.kr), 무단 전재 및 재배포 금지

광메카트로닉스공학과 한동욱·홍석원 교수 연구팀과 융합의과학과 김윤학 교수팀이 미래 소재 혁신을 가져올 꿈의 물질로 각광 받고 있는 맥신(MXene) 나노입자의 근육 재생 효과를 검증하는 데 성공했다. 연구팀은 ‘체적 근육 손실(volumetric muscle loss, VML)’ 치료를 위한 맥신(MXene) 이식재 개발에 성공해, 맥신의 근분화(筋分化) 촉진 기전을 밝힌 연구 논문을 나노 및 마이크로 스케일의 연구와 응용 분야에서 세계적으로 인정받는 국제학술지 『나노-마이크로 레터스(Nano-Micro Letters)』 1월 4일자에 게재했다.- 논문 제목: Highly Aligned Ternary Nanofiber Matrices Loaded with MXene Expedite Regeneration of Volumetric Muscle Loss(맥신을 포함한 정렬된 나노섬유 지지체를 활용한 체적 근육 손실 재생)- 논문 링크: https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-023-01293-1‘체적 근육 손실(VML)’은 대규모 외상에 따른 골격근의 상당량(20% 이상) 손실을 의미한다. 이로 인한 근육 기능 상실과 같은 후유증이 있으며 의학계에서 조직공학 기반의 VML 치료 연구가 활발히 진행 중이다. 이번 연구에 활용된 ‘맥신(MXene)’은 이차원 나노입자로 구성된 물질로, 금속 카바이드나 탄화물을 에칭(etching, 표면을 부식시켜 제거·변형)해 얻어진다. 높은 전기전도성, 높은 열전도성, 우수한 기계적 강도 등의 물성을 갖고 있어 2011년 처음 발견된 이후 다양한 산업 분야에 활용돼 왔다. 최근에는 맥신의 여러 생물학적 특성이 알려지면서 생물·의학 분야에서 효능 연구가 이어지고 있다. 맥신의 생물학적 특성은 주로 독특한 구조적 특징과 관련 있다. 맥신 나노입자는 표면에 다양한 친수성 작용기를 갖고 있고, 페스츄리처럼 여러 개의 얇은 층으로 이뤄져 있어 여러 생체 분자 및 단백질의 흡착을 촉진한다. 이러한 특성을 통해, 맥신은 주변 세포의 부착을 유도하고 여러 신호전달 경로를 활성화시킨다. 또한, 특유의 광학적 특성과 낮은 독성, 화학적 개질(改質)이 용이한 특성 때문에 바이오센서, 의료용 이미징, 의료용 재료 등 다양한 분야에서 응용 가능성이 폭넓게 연구되고 있다. 부산대 연구팀은 맥신 나노입자와 콜라겐을 생분해성 의료용 고분자에 혼합해 정렬된 나노섬유 지지체를 제작했으며, 동물실험을 통해 이 지지체가 손상된 근육 조직의 빠른 재생을 촉진한다는 것을 확인했다. 【맥신 나노섬유 지지체를 활용한 체적 근육 손실 재생 모식도】부산대 연구팀은 맥신(MXene) 나노입자, 콜라겐, PLCL 의료용 고분자로 구성된 나노섬유 지지체(PCM 지지체)를 개발해,마우스 체적 근육 손실(VML) 모델에 PCM 지지체를 이식한 후 평소보다 빠른 속도로 많은 양의 근육이 재생됨을 확인했다. 마우스 모델을 이용한 동물실험 결과, 비처치 대조군과 비교해 230% 빠른 근육 재생과 122% 많은 근섬유 재생이 확인됐다. 또한, 조직학적 분석을 통해 나노섬유 지지체 이식 일주일 후 대부분의 손상된 근육이 재생됐음이 관찰됐다.이러한 결과는 맥신 나노입자에 의해 축적된 칼슘 이온이 근원세포의 생존, 증식, 근관 분화, 그리고 근단백질 합성을 유도하는 신호전달 경로(iNOS/SGK1-mediated mTOR-AKT pathway)를 촉진시켰기 때문임이 밝혀졌다. 결과적으로, 맥신 나노입자는 평소보다 빠른 속도로 많은 양의 근육을 재생시켜 체적 근육 손실을 빠르게 회복할 수 있었다.한동욱 교수는 “근육 회복 과정에서 발현된 전체 유전자가 차세대 염기서열분석법(next-generation sequencing, NGS)을 통해 분석됐다”며 “이번 연구는 맥신 나노입자가 근분화를 촉진하는 분자생물학적 기전을 최초로 밝혔다는 데 의의가 있다”고 설명했다. 한 교수는 이어 “맥신 나노입자가 근육 재생에 대한 유망한 치료법으로 활용될 수 있다는 가능성을 보였으며, 추가 실험 및 공정 최적화를 통해 실제 임상에서도 활용될 수 있는 조직공학 기반 의료기기로 개발할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.이번 연구는 인지메카트로닉스공학과 강문성 박사과정생, 의과대학 의학연구원 유연이 박사(연수연구원), 인지메카트로닉스공학과 박로운 박사과정생이 공동 제1저자, 한동욱 교수, 홍석원 교수, 김윤학 교수가 공동 교신저자로 수행했다. 산업통상자원부 재원으로 수행된 한국산업기술평가원 바이오산업핵심기술개발 사업, 과학기술정보통신부 재원으로 수행된 한국연구재단 바이오·의료기술개발사업, 정부(과학기술정보통신부, 산업통상자원부, 보건복지부, 식품의약품안전처) 재원의 범부처전주기의료기기연구개발사업단 등의 지원을 받았다.* 인물 사진: 왼쪽부터 홍석원 교수, 한동욱 교수, 김윤학 교수.[Abstract]Researchers at Pusan National University have achieved a groundbreaking milestone by confirming the muscle regeneration potential of MXene nanoparticles, a material anticipated to drive future innovations. Pusan National University, led by President Jeong-In Cha, revealed on the 25th, that a collaborative research team, headed by prof. Dong-Wook Han and prof. Suck Won Hong (Dept. of Cogno-Mechatronics Engineering), in conjunction with prof. Yun Hak Kim (School of Medicine), has successfully developed MXene-including nanofibrous matrices for treating volumetric muscle loss (VML). This research was published in the 4th January in ‘Nano-Micro Letters’, a globally recognized journal focusing on multidisciplinary research in nano- and micro-scale materials. MXene is two-dimensional nanoparticles obtained through etching metal carbides or nitrides. MXene's unique structural features hydrophilic functional groups and thin layered morphology, which result in specific optical properties, low toxicity, and easy chemical modification. These extraordinary characteristics endow them possibility to be applied in diverse biomedical fields such as biosensors, biomedical imaging, and medical devices.Han et al. reported that the developed hybrid nanofiber matrices, combining collagen, poly(l-lactide-co-ε-caprolactone) (PLCL), and MXene, showed 230% faster muscle regeneration and 122% more regenerated muscle fibers compared to the untreated control group. The underlying biological mechanism was unveiled, triggered by the accumulation of calcium ions within MXene, activating the iNOS/SGK1-mediated mTOR-AKT pathway. This activation fosters the survival, proliferation, myogenic differentiation, and protein synthesis of myoblasts.prof. Han emphasized the significance of the study, highlighting that it is pioneering attempt to unveil the biological mechanism by which MXene nanoparticles promote muscle differentiation. He expressed optimism about MXene's potential as a promising treatment for muscle regeneration, planning further experiments and optimization to develop MXene nanofibrous matrices into a tissue engineering-based medical device for clinical translation.* Reference- Authors (Pusan National University): Moon Sung Kang (Dept. of Cogno-Mechatronics Engineering, College of Nanoscience and Nanotechnology), Yeuni Yu (Medical Research Institute, School of Medicine), Rowoon Park (Dept. of Cogno-Mechatronics Engineering, College of Nanoscience and Nanotechnology), Suck Won Hong (Dept. of Cogno-Mechatronics Engineering, College of Nanoscience and Nanotechnology), Yun Hak Kim (Medical Research Institute, School of Medicine), Dong-Wook Han (Dept. of Cogno-Mechatronics Engineering, College of Nanoscience and Nanotechnology) - Title of original paper: Highly Aligned Ternary Nanofiber Matrices Loaded with MXene Expedite Regeneration of Volumetric Muscle Loss- https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-023-01293-1- Journal: Nano-Micro Letters- DOI: 10.1007/s40820-023-01293-1

광메카트로닉스공학과 김광석 교수와 홍석원 교수가 영국 옥스퍼드대학 클라랜든 연구소 로버트 테일러 교수와의 국제공동연구를 통해 ‘페로브스카이트 나노종이’ 기반의 광증폭(light amplification·光增幅) 현상을 분석해 2차원 구조의 새로운 광학적 응용 가능성을 제시했다. ‘페로브스카이트 나노종이’를 이용한 레이저 개발에 성공한 것이다.연구팀은 페로브스카이트 나노종이가 지닌 레이저 매질(광자를 생성·증폭하는 역할을 하는 물질)로서의 장점을 ‘기초 광물성’과 ‘실용 광소자’라는 두 측면에서 입증했다. 이번 연구에서 레이저 매질로 사용된 ‘페로브스카이트 나노종이’는 CsPbBr₃라는 무기 페로브스카이트 계열의 물질로 만들어진 2차원 구조로, 가로나 세로의 길이가 수백 나노미터인 것에 비해 두께는 수 나노미터를 지니고 있어 종이의 모습을 떠올리게 한다. ‘페로브스카이트’ 물질은 주로 태양전지 분야에서 많은 연구가 진행되고 있으나, 최근에는 페로브스카이트 물질을 기반으로 다양한 차원의 나노구조물이 제작되고 있다. 최근 많은 주목을 받는 수 나노미터 크기의 아주 작은 구슬이나 상자의 모습을 지닌 페로브스카이트 양자점은 의외로 태양전지가 아닌 레이저 매질로서 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 0차원 구조의 양자점에는 레이저 발진 효율을 제한하는 여러 가지 근원적 원리들이 여전히 존재한다.반면, 2차원에 해당하는 나노종이 속 전자들은 수직적 속박과 수평적 자유가 공존하고 있어서, 0차원 구조의 양자점이 지닌 효율 제한의 근원적 문제점으로부터 상대적으로 자유로울 수 있다. 부산대 국제공동연구단은 2차원 구조가 지닌 이러한 특성을 활용할 경우, 레이저 발진이 시작되는 문턱을 낮출 수 있다는 사실을 실험적으로 확인했다. 또한, 연구팀은 ‘실용 광소자’ 개발의 측면에서 레이저 매질의 증폭 특성을 다차원적으로 분석할 수 있는 새로운 방법을 도입했다. 레이저 매질의 광증폭 정도는 광학적 이득(gain)을 통해 가늠할 수 있는데, 이번 연구에서는 나노종이의 광학적 이득의 포화 특성을 여기(excitation, 전자가 에너지를 흡수해 기존 상태보다 들뜬 상태) 세기, 온도에 따라 분석해 광증폭 효율 원인을 다각도로 파악할 수 있도록 했다.나아가 도파관(waveguide) 구조의 광학적 구속효과를 통해 나노종이 레이저 발진의 안정성과 효율 향상을 확인함으로써 나노종이가 지닌 ‘실용 광소자’로서의 가치를 보였다.【 교신저자: 왼쪽부터 김광석 교수, 홍석원 교수 】김광석 교수와 홍석원 교수는 이번 연구는 ‘페로브스카이트 물질’과 ‘2차원 물질’의 특성을 모두 지닌 ‘페로브스카이트 나노종이’의 새로운 가치를 발견한 측면에서 의미가 있으며, 나노구조를 기반으로 하는 실용 레이저 개발에 많은 영감을 줄 수 있기를 기대한다고 말했다. 이번 연구결과는 『네이처(Nature)』 자매지인 『Light: Science Applications』에 2023년 11월 24일 게재됐다.- 논문 제목: Gain enhancement of perovskite nanosheets by a patterned waveguide: excitation and temperature dependence of gain saturation(도파관 패턴을 통한 페로브스카이트 나노종이의 이득향상: 이득 포화의 여기세기와 온도의존성)- 논문 링크: https://www.nature.com/articles/s41377-023-01313-0 이번 연구를 수행한 부산대 국제공동연구단(단장 김광석)은 과학기술정보통신부의 지원을 받아 한국연구재단의 BrainLink사업으로 운영되고 있으며, 다양한 유/무기/생체 나노소재를 기반으로 나노포토닉스 분야에서 국제적 경쟁력을 지닌 집단공동연구 네트워크를 구축해 공동연구를 진행 중이다.* 상단 연구 이미지: 레이저 매질에서 발생하는 광증폭은 광학적 이득(gain)을 통해 분석되며, 도파관 구조의 광학적 구속효과를 통해 보다 향상될 수 있다. 페로브스카이트 나노종이는 레이저 매질로서 다양한 장점을 가지고 있다. [Abstract]The joint research team of Pusan National University(Professors Kwangseuk Kyhm and Seokwon Hong Department of Optics and Cogno Mechatronics Engineering) and Oxford University(Professor Robert Taylor) reported the light amplification phenomenon based on ‘perovskite nanopaper' and presented the possibility of a new optical applications by using two-dimensional structures.In their work, the light amplification phenomenon was studied in terms of optical gain enhancement in a two-dimensional CsPbBr₃ nanosheets guided by a patterned structure of polyurethane-acrylate. The research team obtained spectrum energy and stripe length dependent gain contour and average gain, and analysed gain saturation phenomenon. Consequently, they demonstrated the advantages of perovskite nano paper as a laser medium that generates and amplifies photons in two aspects: ‘basic optical property' and ’practical optical device'.* Reference- Authors (Department of Opto Cogno Mechatronics Engineering, Pusan National University)· First Authors: Inhong Kim, Ga Eul Choi, Ming Mei· Corresponding Authors: Suck Won Hong, Kwangseuk Kyhm - Title of original paper: Gain enhancement of perovskite nanosheets by a patterned waveguide: excitation and temperature dependence of gain saturation- Journal: Light: Science Applications- DOI: https://doi.org/10.1038/s41377-023-01313-0목록PNU LINK (부산대학교 기관 보기)