이 연구는 공동 연구진이 5년 전에 우연히 발견한 미세 유체 채널에서의 흥미로운 현상을 체계적으로 분석한 끝에 얻은 결과로 플라즈마 발광 특성과 나노전기수력학 분야를 접목시켜서 나노 다공성 막 내부에서의 이온 수송 현상을 고유의 발광 색깔에 따라서 관찰할 수 있음을 세계 최초로 증명한 기술이다.
나노 다공성 막은 채널 벽면 사이 거리가 수에서 수십 나노미터 이하 크기로 매우 작기 때문에 벽면 전하의 극성과 반대되는 이온만을 투과시킨다. 즉 유리, 실리콘 등으로 제작된 나노 구조물은 재료 표면이 음전하를 띠고 있어 양이온만이 통과할 수 있게 된다. 이와 같은 선택적 이온 투과 특성(Perm-selectivity)은 나노전기수력학(Nano-electrokinetics) 분야의 핵심 기작으로써 해수담수화, 이온농축기 등 다양한 연구의 출발점이 되어 왔다. 하지만 나노 다공성 막 내부에서의 이온 수송에 대한 직접적인 관찰이 어렵기 때문에 전압-전류 측정 또는 형광 이미징 등의 간접적인 실험 증거를 이용한 연구만이 진행되어 왔다.
이 결과를 응용하면, 능동형 나노 발광 소자, 나노 이미징 장치, 이온 분석 장치 등 다양한 산출물을 얻을 수 있을 것으로 기대되며 간접적인 형광 이미징 방법만이 주를 이루고 있는 생명공학 분야에서도 활용될 수 있을 것으로 전망된다.
서울대 김성재 교수는 “우연히 발견된 현상을 끈질기게 분석하여 나노전기수력학 분야의 핵심 기작을 관찰할 수 있는 새로운 가시화 방법을 도출하였다”며 “현재 공동 연구팀은 이 기술을 활용해 이온을 정량화할 수 있는 랩온어칩 플랫폼을 개발 중”이라고 말했다.
이번 연구 결과는 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Report)’에 6월 1일자로 게재됐다. 이 연구는 과학기술정보통신부 중견연구자 지원 사업과 서울대-코스맥스 기술 육성 센터의 지원으로 수행됐다.
50 V 정도의 상대적으로 낮은 전압을 인계하여 먼저 미세 유체 채널 내에 기포를 생성하고(그림. step 1), 500 V의 높은 전압을 인계하여 기포로부터 촉발된 플라즈마를 형성시켜 이온 고유의 색깔을 띤 가시광이 방출됨을 관찰하였다(그림. step 2). 다음으로 나노 다공성 막 양단에 전압을 인계하면 미세 유체 채널 내에서 생성된 플라즈마 가시광이 나노 다공성 막 내부로 침투되면서 양이온에 해당하는 가시광만이 통과하는 현상을 초고속 카메라를 이용하여 촬영하였다(그림. step 3). 또한 이동도가 높은 리튬 이온이 이동도가 낮은 나트륨 이온보다 항상 앞단에서 수송되며 발광하는 현상을 관찰하였다