광메카트로닉스공학과

[과학에세이] 수학의 점과 물리의 점김광석 부산대 광메카트로닉스공학과 교수·‘감성물리’ 저자김광석 부산대 광메카트로닉스공학과 교수 | 입력 : 2023-12-04 19:30:11 | 본지 22면글자 크기 페이스북 공유트위터 공유네이버 공유인쇄기사 주소 복사스크랩40여 년 전 초등 산수 시간. 선생님은 ‘폐곡선’을 설명하신 후 칠판에 그려진 다양한 도형들의 닫힘 여부를 물으셨다. 교실 안 꼬맹이들은 처음 출발한 분필 끝이 최종적으로 멈추는 지점에 온 신경을 집중했고, 호명된 대여섯 명의 학생들은 전부 정답을 말했다. 간혹 장난기가 발동한 선생님이 구분하기 어려울 만큼 작은 틈을 지닌 선을 그리셨지만, 의도를 눈치챈 아이들은 모두 ‘개곡선’이라 답했다. 덕분에 학급 학생 대부분이 자신감을 얻게 되었고 선생님은 다음 문제를 위해 칠판을 채웠던 도형들을 지우셨다. 문득 칠판에서 떨어지는 하얀 가루가 마치 선을 구성하던 점들이 해체되는 장면처럼 느껴졌다.허공 속을 떠다니는 하얀 분진에 정신을 빼앗겨 있던 순간 갑자기 내 이름을 부르는 선생님 목소리가 들려왔다. 칠판 위에는 찌그러진 타원이 그려져 있었다. 앞서 배운 방식대로라면 ‘폐곡선’이 정답이겠지만, 내 머릿속은 이미 분필 가루로 가득 차 있었다. 급기야 칠판에 그려진 하얀 선이 점차 확대되면서 폭을 지닌 커다란 도로가 되었다. 카메라 배율이 확대되듯 도로 위를 가득 채운 하얀 조약돌이 보였고, 어느새 나는 조약돌 사이를 비집고 지나가는 개미가 되었다. 쉽지는 않겠지만 분필 가루들의 틈을 찾다 보면 칠판 위에 그려진 하얀 선을 관통하는 길이 존재할 것 같았다. 나는 ‘개곡선’이라 답했고 수업을 듣던 친구들은 큰소리로 웃었다.고대 그리스 수학이 집결된 유클리드의 ‘원론’에서 0차원의 ‘점’은 부분이 없는 존재로 정의된다. 따라서 1차원의 ‘선’은 폭이 없고 ‘선’의 양쪽 끝에는 크기가 없는 점이 있다. 유사한 방식으로 2차원의 ‘면’은 크기를 지니지만 두께가 없으며 면의 끝은 폭이 없는 ‘선’으로 이루어져 있다. 수학적 유한 크기의 연속체는 크기 없는 요소의 무한 합인 셈이다. 이렇게 크기 없이 위치 정보만을 알려주는 수학적 ‘점’은 관념 속에서만 존재하지만, 일상 언어에선 얼굴 위의 ‘점’, 점묘화의 ‘점’, 마침표 ‘점’처럼 크기를 지닌 물리적 ‘점’과 혼용된다. 플라톤의 이데아 철학의 관점에서 보자면 크기를 지니는 실재 세상의 ‘점’으로부터 크기 없는 ‘점’이 작동하는 이상 세계를 알아가는 과정으로 포장될 수도 있겠지만 추상 세계에 가치 우위를 부여하는 태도는 물리적 ‘점’의 크기를 간과하게 만들 수도 있다.2023년 노벨 화학상이 수여된 ‘양자점’ 역시 ‘점’과 ‘0차원’이라는 수학적 용어를 사용하고 있지만 수 나노미터 크기의 양자점 속은 실제 수만 개의 원자 구슬로 채워져 있다. 하지만 양자점 속 전자의 입장에선 모든 방향으로의 움직임이 제한된 구속의 공간이다. 이를테면 캡슐호텔의 좁은 공간은 인간의 몸동작을 제한한다. 그러므로 인간적 관점에서 캡슐호텔 방은 0차원이고, 좁은 복도는 1차원, 천정이 낮은 아파트는 평수가 넓어도 2차원이다. 유사한 방식으로 파동성을 지닌 전자에게 양자점은 특정 파장만 허락되는 구속의 공간이다. ‘양자선(1차원)’과 ‘양자면(2차원)’도 수학적 정의와 다르게 각각 폭과 두께를 지니고 있으며 나노미터 크기의 구속 정도에 따라 차원이 구분된다. 물리의 차원은 수학의 차원과 다르다.고대철학자 데모크리토스의 ‘원자’ 역시 나눌 수 없다는 측면에서 유클리드 기하학의 ‘점’을 닮았다. 하지만 크기를 지닌 원자를 통해 인류는 물질 속의 모습이 수학적 연속체가 아닌 분절적이라는 사실과 함께 원자보다 더 작은 세상도 알게 되었다. 반면, 현대 기하학은 부분을 지니는 점이나 점 자체가 없는 추상적 공간을 설정하기도 한다. 다원주의적 신화나 종교처럼 수학은 다양한 세계관을 제공하지만, 때론 편견으로 작동할 수 있다. 똑같은 물리 세상도 수학적 교리에 따라 달리 보일 수 있는 셈이다. 그러므로 물리학자는 수학적 다신교 신자나 무신론자일 필요가 있다. 이를테면 전지적 시점의 이상적 세계를 맹신하기보다 복잡하고 혼란스러운 현실 경험과 인간적 한계를 솔직하게 드러내는 문학과 미술처럼, 물리학은 르네상스적이어야 한다. 물리학도 관념적 이상과 실재적 현실의 차이를 자각하며 혁명이 시작된다. https://www.kookje.co.kr/news2011/asp/newsbody.asp?code=1700 key=20231205.22022000964 kid=021017 fbclid=IwAR1M7GmQPl1WN2vfdmYd0Xgsfz8JxNrLXeO2STcqsYBmHtD2F393Fy94TtY

광메카트로닉스공학과 김광석·홍석원 교수팀-영국 옥스퍼드대 공동연구페로브스카이트 2차원 나노종이 기반의 새로운 레이저 가능성 제시[한국대학신문 이정환 기자] 부산대학교와 영국 옥스퍼드대학 국제공동연구팀이 ‘페로브스카이트 나노종이’를 이용해 레이저를 만드는 데 성공했다.부산대학교(총장 차정인)는 광메카트로닉스공학과 김광석 교수와 홍석원 교수가 옥스퍼드대학 클라랜든 연구소 로버트 테일러 교수와의 공동연구를 통해 ‘페로브스카이트 나노종이’ 기반의 광증폭(light amplification·光增幅) 현상을 분석해 2차원 구조의 새로운 광학적 응용 가능성을 제시했다고 4일 밝혔다.김광석(왼쪽), 홍석원 교수연구팀은 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.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.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.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》 (광기술분야 상위 3% 저널)에 11월 24일 게재됐다.논문 제목은 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).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 중이다https://news.unn.net/news/articleView.html?idxno=556181

PNU 리서치메인으로 이동연구/산학PNU 리서치광메카트로닉스공학과 정세영 교수팀, 구릿빛은 황색·청색?…수백 가지 무채색 구리 선보인다녹슬지 않는 검은 구리 개발…성장 원인, 산화저항 메커니즘 등 규명작성자 홍보실 / [홍보실] 작성일자 2023-11-09 조회 42광메카트로닉스공학과 정세영 교수 연구팀이 녹슬지 않으면서도 회색에서 검은색까지 연속적인 무채색을 구현하는 단결정 구리를 개발했다. 또한, 무채색 구리의 성장 원인과 산화되지 않는 원인, 성장된 구리 표면의 구조와 특이성을 이론 및 실험을 통해 규명했다.특히, 이 무채색 구리는 빛의 흡수 정도를 조절할 수 있고, 빛을 가두기는 하지만 열은 흡수하지 않아 산업에의 폭넓은 활용이 기대된다.연구팀은 Atomic Sputtering Epitaxy(ASE)법에 의한 구리 박막의 성장과정에서 성장조건을 조절함으로써 성장된 박막이 연한 회색에서부터 완전히 검은색까지의 다양한 무채색을 갖도록 하는 특별한 성장 기술 개발에 성공했다. 연구팀이 개발한 무채색 및 검은색 구리는 나노구조체가 빛을 가두는 현상에 의한 결과물이다. 박막 성장과정에서 기공의 밀도, 기공의 크기, 기공 간의 연결성 등을 제어해 구리 다공체를 증착함으로써 아주 연한 회색에서부터 완전히 검은 흑체 상태로 성장시킨 것이다. 다공성 나노구조 박막의 무채색성 제어 a) 평균 RGB 값에 따라 무채색성과 명도의 함수로 배열한 구리 나노구조 박막의 컬러 차트b) 주사전자현미경으로 관측된 가장 검은 색의 박막에 대한 측면도 및 상면도성장된 무채색 구리의 표면은 마치 위를 향해 뻗어있는 돌기처럼 수지상결정(dendrite) 구조로 자란다. 이러한 무채색 구리 시료들은 몇 년 동안 상온에 방치된 경우에도 산화가 발생하지 않았다. 정세영 교수팀은 지난해 『네이처』를 통해 발표한 연구에서 ‘원자 수준의 평탄한 면을 갖는 구리는 산화되지 않음’을 밝힌 바 있다. 그러나 이번 연구는 ‘구리 표면이 울퉁불퉁한 곡면임에도 산화되지 않은’ 것으로, 정밀한 표면분석 기술을 통한 조사와 이론적 모델링을 통한 분석 결과를 제시했다.연구팀은 수지상결정 구조의 표면이 대부분 단일 원자층들의 연속으로 이뤄져있고 표면의 원자 2~3개 층이 표면장력에 의해 약 20pm(피코미터, 1조분의 1m) 정도로 수축됨에 따라 산화를 일으키는 산소들이 구리 표면층을 통해 침투하기 어렵게 만든다는 것을 알아냈다. 4가지 종류의 무채색 박막에 대해 재구성된 3차원 공간 이미지 마이크로 스케일로 복원된 구리 박막의 다공 구조와 100 nm3로 확대된 3차원 구리 다공구조 박막 영상 모습(Br: Brown, G: gray, DG: Dark gray, B: Black)이러한 무채색 구리는 광범위한 영역의 광(빛)을 흡수할 뿐 아니라 빛을 흡수하는 정도를 무채색의 정도에 따라 조절할 수 있어 산업계 활용 범위가 매우 넓다. 특히 빛을 가두기는 하지만 열은 흡수하지 않는 특이한 성질 때문에 다양한 응용이 가능할 것으로 전망된다.박막의 초기 성장 기원을 밝힌 이번 연구는 세계적인 재료과학 전문지 『Advanced Materials』 10월 19일자 후면 표지논문(back cover)으로 선정돼 게재됐다. - 논문 제목: Self-oxidation resistance of the curved surface of achromatic copper(무채색 구리의 곡면에서 자체산화저항)- 논문 링크: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202370306 이번 연구는 과학기술정보통신부과 한국연구재단이 지원하는 기초연구실지원사업과 중견연구사업의 지원을 받았으며, 부산대와 성균관대, 미국 미시시피주립대, 부경대 공동연구로 진행됐다. * 메인 이미지: 『Advanced Materials』 후면 표지논문(왼쪽)과 정세영 교수[Abstract]Copper surfaces that display a broad range of color, including black, while maintaining their metallic properties have not been previously reported. A new approach is introduced involving the growth of achromatic copper films with a preferal porous nanostructures through a two-step atomic sputtering epitaxy process. These porous copper nanostructures regulate their resistance to oxidation by creating a curved surface with mono-atomic steps, followed by shrinking the lattice spacing of surface layers.A theoretical approach validates that these structural elements work together to enhance the energy barrier against oxygen penetration. The achromatic nature of the single-crystalline porous copper films can be precisely adjusted by changing geometrical factors like pore size distribution and three-dimensional connections. The optimized achromatic copper films, which exhibit strong oxidation resistance, exhibit a unique switch between superhydrophilicity and superhydrophobicity.These custom-designed three-dimensional porous nanostructures have the potential to be used in various applications, including antireflection coatings, microfluidic devices, droplet tweezers, and reversible wettability switches.red [111] orientation. This is achieved by depositing three-dimension. * Reference- Author: Prof. Se-Young Jeong (Department of Optics and Mechatronics Engineering)- Title of original paper: Self-oxidation resistance of the curved surface of achromatic copper- Journal: Advanced Materials- DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202210564

[과학에세이] 과학영웅 신화김광석 부산대 광메카트로닉스공학과 교수·‘감성물리’ 저자김광석 부산대 광메카트로닉스공학과 교수 | 입력 : 2023-08-28 19:15:44 | 본지 22면글자 크기 페이스북 공유트위터 공유카카오스토리 공유네이버 공유인쇄기사 주소 복사스크랩‘과학자가 장래 희망’이라는 어린 학생을 만나면 무척 반갑다. 세상이 보여주는 화려한 길보다 우주와 자연에 대한 순수한 호기심과 과학 탐구의 매력에 이끌린 어린 마음이 너무 기특하고 고맙게까지 느껴진다. 그런데 우수한 학생 중에는 간혹 노벨상을 목표로 하는 경우가 있다. 재능을 타고난 어린 스포츠 선수가 올림픽 금메달을 꿈꾸는 모습을 연상케 하지만 내겐 많은 생각을 하게 만든다.세속적 관점에서 보자면 기초과학자의 삶에는 폼나는 요소가 별로 없다. 부러움을 살만큼 돈을 많이 버는 것도 아니고, 주변 사람들이 눈치 볼 만큼의 권력도 없다. 대부분의 평범한 과학자들은 각자 자신의 연구를 일상처럼 묵묵히 지속할 뿐이다. 하지만 노벨상은 좀 다르게 보인다. 돈과 권력으로도 얻을 수 없는 명성이 생기고 인류 과학사에 기록될 위인이 된다. 최후의 승자로 살아남아 최고로 인정받는 금메달리스트나 열광하는 팬들에 둘러싸인 글로벌 아이돌의 인기에도 밀리지 않는 ‘짱’이 될 수 있다.이렇게 과학 연구에서조차 타인에게 인정받고 자신을 드러내고 싶은 동기는 어디서 비롯된 것일까? 대한민국은 K팝과 첨단 기술 분야에서는 세계적 인지도를 높이고 있지만, 과학 분야에서만큼은 여전히 노벨상 콤플렉스에서 벗어나지 못하고 있다. 그래서 ‘과학영웅’을 애타게 기다리며 과학사도 삼국지나 신화처럼 영웅들의 활약상을 중심으로 읽히는 것 같다. 이를테면 탁월한 지략을 지닌 제갈량이나 괴력의 헤라클레스같이 비범한 능력을 지닌 ‘과학영웅’들이 기존 이론에 집착하는 보수적 과학자집단을 무찌르며 ‘과학혁명’을 성공시키는 신화. 혹은 고독한 영웅의 박해나 순교 후, 군중들이 직접 나서 과학 메시아의 명예를 복원하는 반전의 서사를 기대하기도 한다.하지만 노벨상 수상자들은 한결같이 상을 목표로 연구하지는 않았다고 회고한다. 성급한 발표로 대중적 관심을 끌거나 인정 결핍의 욕망을 채우는 일보다 그들이 더욱 중요하게 생각했던 것은 연구 결과의 재현 검증과 논리적 견고함이었다. 과학은 예술작품 같은 개인적 업적의 측면보다 후대에 물려줄 인류의 지적 유산으로서의 공용성이 더 크기 때문이다.과학은 비행기다. 엔진이 만들어져도 200만 개의 부품과 유기적으로 작동하는 안정적 비행이 실현되기 위해서는 수많은 검증과 논의 단계가 필요하다. 따라서 과학은 새로운 학설에 대해 보수적일 수밖에 없다. 다양한 오류의 가능성과 자칫 간과했을지도 모를 논리의 빈틈을 찾아야 한다. 단 하나의 결함으로도 비행기는 추락할 수 있다. 엔진만으로는 하늘을 날 수 없다.또한 과학은 미완성의 석조 건물이기도 하다. 뛰어난 과학자에 의해 기둥이 세워지더라도 벽과 천정까지 촘촘하게 돌을 쌓아 하나의 건물로 만들어지는 과정에는 수많은 과학자의 공헌이 필요하다. 그러므로 하늘을 향해 치솟은 과학첨탑은 개인의 영웅담이 아닌 공동체의 역사로 읽혀야 한다. 우리 사회는 자라나는 과학 새싹들에게 공동체의 가치보다 영웅의 신화만을 강조하고 있지는 않았을까?한때 영미권 대학생의 청춘 지침서였던 제임스 조이스의 소설 ‘젊은 예술가의 초상’의 마지막 장면은 무척이나 인상적이다. 자신을 속박해 왔던 가정 종교 국가의 다양한 편견을 깨달은 후 사제의 길 대신 예술가의 삶을 선택하는 장면은 방황하는 청춘들에게 자신만의 신화를 꿈꿀 수 있는 용기를 제공했다. 하지만 주인공 이름의 모티브인 ‘다이달로스’는 조카의 재능마저 질투해 그를 살해하고 새의 깃털과 밀랍으로 급조한 날개로 인해 자기 아들 ‘이카루스’마저 추락사하게 만들었다.“과학이 재미있고 좋아요. 그래서 과학을 계속하고 싶고 과학자가 되고 싶어요.”며칠 전 초롱초롱한 눈망울로 강연을 열심히 듣던 한 아이가 자신의 꿈을 이야기하던 순간 마음속으로 해주고 싶었던 말이 있었다.“유명한 과학자가 되지 않아도 괜찮아. 대신 견고한 벽돌 같은 진정한 과학자가 되어주렴.”

광메카트로닉스공학과 김창석 교수팀과 한동욱 교수팀은 공동연구를 통해 나노다이아몬드(나노 크기의 다이아몬드)의 신경세포 재생능 및 초고해상도 뇌 이미징 등 다기능적 활용 가능성을 규명했다. 뇌의 신경세포는 알츠하이머, 파킨슨병, 근위축성측색경화증과 같은 퇴행성 신경 질환뿐 아니라 뇌졸중, 암, 감염, 외상 등의 물리적 요인에 의해서도 손상될 수 있다. 문제는 이렇게 손상된 세포를 다시 복구할 수 없다는 데 있다.과학자들은 이 문제를 해결하기 위해 다양한 노력을 기울여 왔지만, 주로 사용돼 온 도파민 작용제, 효소 억제제, 호르몬 치료 등과 같은 약물성 치료법은 부작용이 따랐고, 무엇보다 근본적으로 사멸·수축한 뇌세포를 재생하지 못한다는 한계점이 있었다. 한편, 신경세포 중 해마 신경세포는 친화성 콜린 수송체, 콜린 아세틸전이효소, 소포성 아세틸콜린 수송체, 무스카린성 아세틸콜린 수용체와 같은 필수 콜린성 마커를 발현하고, 주로 신경 질환의 인지 결손에 관여하는 것으로 알려져 있으며, 나노다이아몬드는 높은 생체적합성과 특유의 생체기능성을 가진 새로운 생체물질(biomaterial)로 가능성을 주목받아 왔다. 이에 연구팀은 나노다이아몬드가 해마 신경세포의 자발적 신경돌기 재생을 촉진함을 규명했으며, 나아가 나노다이아몬드의 형광이 특정 파장에서 깜빡거리는 현상을 통해 초고해상도의 세포·조직 이미징에 활용해 다기능적 성능을 밝혔다. 연구에 사용한 다광자형광현미경 사진 및 모식도 연구 결과, 나노다이아몬드는 비교적 높은 농도(500 ?g/mL)까지 해마신경세포주(HT22 hippocampal neuronal cell)의 독성을 나타내지 않았으며, 세포 내 활성산소종 생성이나 세포막 무결성 손상을 유발하지 않는 것을 관찰했다. 또한 체외(in vitro) 배양 과정에서 처리한 나노다이아몬드는 세포 내로 함입돼 분화 인자 없이도 신경 돌기 분화를 유발했고, 동시에 세포의 형광 마커로서 이러한 현상을 초고해상도로 시각화했다. 또한, 누드 마우스를 활용한 동물실험에서 꼬리정맥으로 주사한 나노다이아몬드는 뇌혈관장벽을 투과해 뇌에 도달했고 장기간 주요 장기 및 뇌에 손상을 유발하지 않는 것이 확인됐다. 이러한 결과를 통해 나노다이아몬드의 활용은 뇌졸중은 물론 치매, 파킨슨병 등의 난치성 뇌질환 연구로 더욱 확장될 수 있을 것으로 기대된다. 연구진: 왼쪽부터 뒷줄 김창석(교신저자) 교수, 한동욱(교신저자) 교수, 앞줄 김재흥(제1저자) 박사과정생, 강문성(제1저자) 박사과정생 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 선도연구센터지원사업 및 중견연구자지원사업의 지원으로 수행됐다. 해당 논문은 생체재료 분야의 세계적인 학술지 『Biomaterials Research』 온라인 4월 27일자로 게재됐다.- 논문 제목: A systematic study on the use of multifunctional nanodiamonds for neuritis generation and super-resolution imaging(나노다이아몬드의 신경세포 재생능 및 초고해상도 뇌 이미징 활용 가능성 규명)- 논문 링크: https://biomaterialsres.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40824-023-00384-9 * 상단 연구 이미지: 규명된 나노다이아몬드의 생체 다기능적 활용 모식도[Abstract]Regeneration of defective neurons in central nervous system is a highlighted issue for neurodegenerative disease treatment. Various tissue engineering approaches have focused on neuritogenesis to achieve the regeneration of damaged neuronal cells because damaged neurons often fail to achieve spontaneous restoration of neonatal neurites. Meanwhile, owing to the demand for a better diagnosis, studies of super-resolution imaging techniques in fluorescence microscopy have triggered the technological development to surpass the classical resolution dictated by the optical diffraction limit for precise observations of neuronal behaviors. Herein, the multifunctional nanodiamonds (NDs) as neuritogenesis promoters and super-resolution imaging probes were studied.To investigate the neuritogenesis-inducing capability of NDs, ND-containing growing medium and differentiation medium were added to the HT-22 hippocampal neuronal cells and incubated for 10 d. In vitro and ex vivo images were visualized through custom-built two-photon microscopy using NDs as imaging probes and the direct stochastic optical reconstruction microscopy (dSTORM) process was performed for the super-resolution reconstruction owing to the photoblinking properties of NDs. Moreover, ex vivo imaging of the mouse brain was performed 24 h after the intravenous injection of NDs.NDs were endocytosed by the cells and promoted spontaneous neuritogenesis without any differentiation factors, where NDs exhibited no significant toxicity with their outstanding biocompatibility. The images of ND-endocytosed cells were reconstructed into super-resolution images through dSTORM, thereby addressing the problem of image distortion due to nano-sized particles, including size expansion and the challenge in distinguishing the nearby located particles. Furthermore, the ex vivo images of NDs in mouse brain confirmed that NDs could penetrate the blood?brain barrier (BBB) and retain their photoblinking property for dSTORM application.Conclusions: It was demonstrated that the NDs are capable of dSTORM super-resolution imaging, neuritogenic facilitation, and BBB penetration, suggesting their remarkable potential in biological applications.* Reference- First author: Jaeheung Kim¹, Moon Sung Kang¹- Corresponding author: Chang-Seok Kim¹², Dong-Wook Han¹³ 1. Department of Cogno-Mechatronics Engineering, Pusan National University 2. Engineering Research Center for Color-Modulated Extra-Sensory Perception Technology, Pusan National University 3. Bio-IT Fusion Technology Research Institute, Pusan National University- Title of original paper: A systematic study on the use of multifunctional nanodiamonds for neuritis generation and super-resolution imaging- https://biomaterialsres.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40824-023-00384-9- Journal: Biomaterials Research- DOI: https://doi.org/10.1186/s40824-023-00384-9

[과학에세이] 양자 박테리아김광석 부산대 교수·광메카트로닉스공학과‘감성물리’ 저자김광석 부산대 교수 | 입력 : 2023-06-12 19:55:57 | 본지 22면글자 크기 페이스북 공유트위터 공유카카오스토리 공유네이버 공유인쇄기사 주소 복사스크랩죽음의 신 하데스에 의해 명계로 납치된 페르세포네는 아무것도 먹지 않고 어머니를 기다리다 하데스가 내민 석류알을 무심코 받아먹는다. 하지만 명계의 음식을 섭취했다는 이유로 결국 이승과 저승을 오가는 삶을 살게 된다. 그래서 어머니 데메테르 여신은 페르세포네가 이승으로 돌아와 머무는 동안은 세상을 생기 가득한 새싹과 풍성한 곡물로 가득 채우지만, 딸이 저승으로 돌아간 후에는 슬픔에 잠겨 대지를 차가운 바람만 부는 황량한 모습으로 방치한다.비록 페르세포네가 이승과 저승을 넘나들기는 하지만 동시에 두 세계에 존재하지는 못한다. 고양이도 그렇다. 마치 이승과 저승의 삶이 혼재된 원혼처럼, 높은 에너지와 낮은 에너지 상태에 그것도 50:50의 확률로 동시에 존재할 수 있다는 양자물리의 기괴한 결론에 맞서 물리학자 슈뢰딩거는 자신이 키우던 고양이의 삶 같은 상식에 호소하고 싶었다. 즉, 원자의 에너지 상태에 따라 원자와 고양이를 연결하는 장치가 선택적으로 작동해 고양이의 생사를 결정할 수는 있지만, 삶과 죽음이 뒤섞인 고양이를 과학적 사실로 받아들이기는 어렵다.하지만, 원자에서 양자물리는 분명 작동하고 있다. ‘측정’ 행위로 인해 특정 상태가 선택되기 전까지 원자는 두 에너지 상태에 동시에 존재하며, 두 개의 파동이 포개진 것 같은 상태의 ‘중첩’은 양자컴퓨터의 핵심 원리로 사용된다. 문제는 고양이가 원자와는 다르게 두 상태에 동시에 존재할 수 있는 양자 시스템이 아니라는 점이다. 즉, 고양이는 독립적으로 삶과 죽음이 공존하는 ‘중첩’ 상태에 있지 않으며 원자의 상태에 영향을 주지도 않는다. 상자 속 고양이는 원자 상태를 가늠할 수 있는 기표일 뿐이다.고양이 대신 양자물리가 작동할 만큼 작은 세상의 생명체를 실험에 사용하면 어떨까? 이를테면 수백 나노미터 크기의 박테리아. 광합성을 통해 살아가는 특정 박테리아는 빛의 양자상태인 광자 한 알을 먹고 높은 에너지의 ‘흥분’ 상태가 된다. 하지만 ‘흥분’ 상태의 에너지가 생체 에너지로 전환되기 전에 ‘광자’를 토해내면 다시 ‘무기력’의 낮은 에너지 상태로 돌아올 수 있다. ‘삶’과 ‘죽음’이 중첩된 고양이처럼 박테리아도 ‘흥분’과 ‘무기력’이 동시에 공존하는 양자상태에 있을까?빛은 상자 속 원자와 죽임 장치 역할을 동시에 수행할 수 있다. 상자 속의 죽임 장치는 고양이에게만 영향을 주지만, 빛과 박테리아는 서로 영향을 주고받는다. 또한, 상자 속 벽을 반사율 높은 거울로 도배하면 빛과 박테리아 사이의 연결이 더욱 강화된다. 색깔이 같은 광자의 에너지 높낮이는 광자 수로 구분되므로 만약 박테리아가 광자 한 알을 뱉어내면 거울방 공간은 N개의 광자 상태에서 N+1개 광자로 구성된 상대적으로 높은 에너지 상태가 된다. 반면 거울 방의 광자 한 알을 흡수한 박테리아는 ‘무기력’ 상태에서 ‘흥분’의 높은 에너지 상태로 들뜨게 된다. 즉, 거울 벽의 높은 반사율 덕에 박테리아가 ‘흥분’과 ‘무기력’을 오가는 동안, 빛은 추가적 광자 한 알의 ‘소멸’과 ‘탄생’을 반복한다. 결과적으로 ‘N개의 광자-흥분 박테리아’ 상태와 ‘N+1개의 광자-무기력 박테리아’ 상태가 보강과 상쇄의 방식으로 ‘중첩’된 두 개의 새로운 ‘얽힘’ 상태가 형성되는데 이 에너지는 ‘얽힘’ 이전의 박테리아나 광자와 비교해 확연히 다른 값을 가진다. 마치 반인반수처럼 빛과 박테리아가 구분할 수 없게 뒤섞인 양자상태가 놀랍게도 최근 상온 실험에서 확인되었다!박테리아에게 ‘흥분’과 ‘무기력’이 공존하는 상태의 느낌은 어떤 것일까? 인간 관측자에게 박테리아의 삶은 확률적 평행 우주가 동시에 전개되고 있는 것처럼 관측되지만, 박테리아는 둘 중 하나의 상태만을 경험하고 있을지 모른다. 만약 박테리아가 자신의 ‘흥분’ 상태를 인지하고 인간 관측자에게 그 정보를 알려준다면 어떻게 될까? 그 순간 인간 관측자에게 보였던 ‘중첩’과 ‘얽힘’의 모든 환영은 사라질 것이다! 그러므로 박테리아 햄릿의 실존은 공개되지 않으므로 양자적이다. To be, or not to be, that is the quantum. http://www.kookje.co.kr/news2011/asp/newsbody.asp?code=1700 key=20230613.22022001624

PNU 리서치메인으로 이동연구/산학PNU 리서치나노에너지공학/광메카트로닉스공학과 황윤회·김규정 교수팀, 빛으로 세포 움직이는 '광학 집게' 기술로 암세포 전기적 특성 분석암세포-정상세포 구분하는 '비침습적 바이오센서'…다양한 생물학적 응용 전망작성자 홍보실 / [홍보실] 작성일자 2023-06-05 조회 176레이저 빛으로 세포를 집어 움직이거나 포획할 수 있는 ‘광학 집게’ 기술을 이용해 세포의 커패시턴스(전기용량) 변화를 측정함으로써 단일 암세포의 표면 특성 변화를 분석하는 바이오센서가 개발됐다. 특히 이 시스템은 세포에 상처를 내지 않고도 시행 가능한 비침습법으로, 배양 중인 단일 세포와 외부 인자의 실시간 상호작용을 지속적으로 측정해 암세포와 정상세포 사이의 특정 반응을 구별해 다양한 생물학적 응용이 가능할 것으로 전망된다.나노에너지공학과 황윤회 교수와 광메카트로닉스공학과 김규정 교수 연구팀이 단일 세포의 세포 특성을 정략 분석하는 시스템을 개발한 이번 연구 결과는 세계적으로 권위 있는 SCI급 국제 저널인 『Biosensors Bioelectronics』 온라인 4월 15일자(오프라인 8월호)에 게재했다.- 논문 제목: Quantitative comparison of EGFR expression levels of optically trapped individual cells using a capacitance biosensor(커패시턴스 바이오센서를 사용한 광학 포획된 단일 세포의 성장 인자 수용체 발현 수준의 양적 비교)- 논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.bios.2023.115320연구팀은 단일 세포의 ‘성장 인자(EGF)’의 결합 친화도에 따른 커패시턴스(capacitance·전기용량, 물체가 전하를 축적하는 능력을 나타내는 물리량) 변화를 기반으로 알려지지 않은 세포 유형에서 ‘성장 인자 수용체(EGFR)’의 발현 수준을 정확하게 측정하고 정량화하는 시스템을 고안했다.최근, 생물 의학, 임상 진단, 약물 발견 등 다양한 분야에서는 단일 세포를 비침습적으로 감지하고 라벨*(표지물)* 없이 분석할 수 있는 기술에 대한 수요가 증가하고 있다. 이러한 연구는 정확한 진단 및 치료 도구 개발을 위해 필수적이며, 세포의 이질성에 의해 변화한 세포 특성을 파악할 수 있어 이전보다 더욱 정교한 분석이 가능하다. * 라벨: 세포 내부의 구성요소를 식별하고 추적하기 위한 표지물. 특정 단백질, 핵산 또는 다른 분자를 라벨로 사용할 수 있다.종양 조직 내에서 서로 다른 특성을 가진 암세포들이 함께 존재하는 것을 세포의 ‘이질성’이라 하며, 이에 따른 암세포의 특성을 정확히 파악하는 것은 암 치료 전략 개발에 있어 중요한 역할을 맡는다.이번 연구에서는 광학 집게 기술과 커패시턴스 측정 기술을 결합해 새로운 바이오센서 시스템을 개발해, 비침습적으로 단일 세포의 표면 특성을 측정할 수 있다. ‘광학 집게’ 기술은 레이저 빛을 이용해 세포를 붙잡을 수 있는 기술이다. 빛은 한 초점에 모으면 그 주변에 끌어당기는 힘이 작용하는데, 이를 이용해 세포나 원자와 같은 작은 물질을 집어 이동시키거나 포획할 수 있다. 이 시스템은 세포의 크기와 생존력을 고려해, 측정하려는 세포를 선택할 수 있다. 또한, 세포가 외부 분자와 결합할 때 나타나는 커패시턴스 변화를 측정해 세포 표면 특성을 정량화할 수 있다. 광학 집게 및 커패시턴스 측정 통합 시스템의 개요도 (좌)세포주에 따른 성장 인자 수용체 발현 정도에 비례해 변화하는 커패시턴스 변화 정도(우)연구팀은 이번에 개발한 시스템을 사용해 다양한 세포주에서 성장 인자와의 결합 정도에 따른 성장 인자 수용체의 발현 수준을 측정하고, 경향을 도식화해 미지의 세포가 가진 성장 인자 수용체의 발현 정도를 높은 정확도로 추정했다. 이러한 연구결과는 세포 이질성 및 질병 진행에 대한 이해를 더욱 깊이 있게 제공할 수 있으므로, 생물 의학, 임상 진단 및 약물 발견 분야에서 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 또한, 새로운 질병 진단 및 치료 전략 개발에도 기여할 수 있다.한편, 이번 연구 성과는 한국연구재단의 기초연구실지원사업 지원을 받아, 광메카트로닉스공학과 강태영(17학번) 박사과정생이 제1저자, 황윤회 교수와 김규정 교수가 교신저자로 수행했다.* 상단 인물사진: 왼쪽부터 교신저자 황윤회 교수, 김규정 교수[Abstract]In this study, a research team presented a new biosensor system based on the integration of optical trapping technology and capacitance measurement technology for non-invasive measurement of single-cell surface properties. The system allows for the selection of cells to be measured based on their viability and size, and quantifies the surface properties of cells by measuring the capacitance changes that occur when they bind to external molecules. Using this system, they measured and quantified the expression levels of the epidermal growth factor receptor (EGFR) in response to binding with the growth factor (EGF) in various cell lines, and accurately estimated the expression levels of EGFR in unknown cells. This could provide a more detailed understanding of cellular heterogeneity and disease progression, making it of significant importance in various fields such as biomedical research, clinical diagnosis, and drug discovery. The developed technology has the potential to lead to the development of new diagnostic and therapeutic strategies for various diseases.* Reference- Authors· First author: Tae Young Kang (Department of Cogno-Mechatronics Engineering)· Corresponding Authors: Prof. Kyujung Kim (Department of Cogno-Mechatronics Engineering), Prof. Yoon-Hwae Hwang (Department of Nano Energy Engineering)- Title of original paper: Quantitative comparison of EGFR expression levels of optically trapped individual cells using a capacitance biosensor- Journal: Biosensors Bioelectronics- DOI: https://doi.org/10.1016/j.bios.2023.115320

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 국제공동연구집단을 지원하는 ‘2023년도 우수연구자교류지원사업(BrainLink)’에 부산대 ‘양자-바이오 나노포토닉스 국제공동연구단(단장 김광석·광메카트로닉스공학과 교수, 사진)이 4월 17일 선정됐다.3년간(2023.4~2025.12.) 총 44억 원이 지원되는 이번 사업을 통해 인공나노구조물의 양자상태를 광학적으로 제어하는 나노포토닉스 분야와 다양한 방식의 빛-물질 상호작용을 활용해 생체구조를 다각도로 영상화하거나 분자 단위로 감지하는 바이오-메디컬 영상/센서 기술이 ‘광’이라는 공통의 키워드로 융합된다.물리학적 관점에서는 기존의 극저온 고진공의 극한 환경의 물질 속에서만 연구됐던 양자상태를 상온의 생체구조로 확장하려는 신생 학문 분야인 ‘양자생물학’에 해당되며, 바이오-메디컬 분야의 측면에서는 생체구조의 변화를 나노스케일에서 진단하는 정밀 헬스케어의료기술과도 연결된다.이러한 폭넓은 전문 분야의 유기적 융합을 위해 영국 옥스퍼드대학 물리학과 클라랜던 연구소, 프랑스 그르노블대학(UGA) 물리학과, 프랑스 국립연구소(CNRS) 소속의 넬 연구소(N?el institute), 학제간융합연구소(LiPhy)가 참여하며, 국내에서는 부산대 광메카트로닉스공학과를 주축으로 부산대병원, GIST 전기전자컴퓨터공학부, DGIST 물리화학부, 동국대 반도체과학과, 부경대 의공학과가 참여한다.또한, 이번 사업은 교육적 측면에서도 양자물리학과 바이오-메디컬 분야를 아우르는 다양한 분야의 해외석학들의 단기 심화강좌, 대학원생들의 단/장기 해외파견, 우수대학원생의 한불 공동학위와 같은 글로벌 교육프로그램도 함께 운영할 예정이다.