물도 나노 스케일의 세계에서는 압축되어 체적이 작아진다

By Janet Ramsden 출처:https://www.flickr.com/photos/ramsd/

물은 일반적으로 거의 압축할 수 없고 아무리 힘을 가해도 그 부피는 거의 변화하지 않는다고 알려져 있습니다. 그 특성을 살려 수압을 이용한 기계가 사회의 곳곳에서 활용되고 있는데 그런 상식이 특수한 환경에서는 뒤집히는 것으로 드러났습니다. 두 영역에서 전위구배가 존재하는 원자 수준의 세계에서 물은 압축될 수 있는 것으로 연구에서 밝혀졌습니다.

Phys. Rev. Lett. 120, 268101 (2018) - Water-Compression Gating of Nanopore Transport
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.268101

Water-Compression Gating of Nanopore Transport

Water compresses under a high gradient electric field
https://phys.org/news/2018-07-compresses-high-gradient-electric-field.html

Water compresses under a high gradient electric field

이 연구결과는 일리노이대학교 어바나-샴페인캠퍼스(University of Illinois at Urbana-Champaign)의 연구팀이 발표한 것으로 물리학의 알렉세이 아키멘티예프 교수와 포스독 연구원 제임스 윌슨 씨 등은 아래 그림과 같은 탄소원자 1개분의 두께밖에 없는 시트상 물질인 그래핀에 미세한 구멍 나노세공(nanopore)을 비우고 그래핀의 양면에 전위의 차이인 전위구배가 있는 상태로 했을 때 그 구멍을 통과하려고 하는 물 분자가 최대로 3% 압축되는 것을 발견했습니다.

By AlexanderAlUS 출처:https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B0%E3%83%A9%E3%83%95%E3%82%A7%E3%83%B3#/media/File:Graphen.jpg

연구팀은 그래핀의 나노세공을 이용한 DNA 시퀀싱 기술의 신기술을 테스트하기 위한 연구에서 이 현상을 발견했습니다. 이 분야는 최근 기존보다 저렴한 DNA 시퀀싱을 가능하게 하는 기술로서 기대되고 있는 분야로 전세계에서 연구가 진행되고 있다고 합니다. 나노세공을 가진 그래핀을 물 속에 넣어 막의 양면에 전위차를 만들어 내는 방식으로 물이나 DNA, 이온을 그 전위차를 이용해 이동시킨다는 것으로 이때 DNA의 4개의 염기로 인해 발생하는 이온의 흐름을 읽어 DNA를 특정할 수 있습니다.

이 기술에서는 나노세공의 크기가 매우 중요한 요소가 되었습니다. 그래핀은 탄소원자 1개분의 두께밖에 없고 나노세공의 직경은 불과 3나노미터로 대략 탄소원자 10개분의 크기입니다. 이 구멍 안을 직경 약 2나노미터의 DNA 분자가 통과합니다.

DNA passes through graphene nanopore - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=opEy4s-aI8s

연구에 있어서 아키멘티예프 교수와 윌슨 씨는 이 움직임을 컴퓨터로 시뮬레이션해 나노세공을 통과하는 DNA 분자의 스피드를 제어하는 것을 목표로 했습니다.

지금까지의 실험에서는 가하는 전하를 높게 함으로써 DNA 분자의 이동속도가 높아지는 것을 알고 있었고 전하를 10배로 하면 그 움직임이 멈추어 DNA 분자는 나노세공을 통과할 수 없다는 사실을 알게 되었습니다. 그리고 그 원인에 대해 연구를 한 아키멘티예프 교수 연구팀은 물은 전위구배에 의해 압축된다는 결론에 이르렀다고 합니다.

아키멘티예프 교수는 그 양상에 대해 “전위구배가 물을 압축시키는 것으로 밝혀졌습니다. 왜냐하면 물은 유전체이기 때문입니다. 이 현상은 매우 높은 전계에 의해 생성되는 것이 아니라 공간과 공간 사이에 전위구배가 있는 상태로 인해 발생합니다. 물분자에 주어진 전하는 전계에 따라 나열되고 전기장이 가장 높은 장소에 가까운 곳에 있는 전하는 전기장이 가장 약한 장소보다 강하게 당겨진다”라고 설명합니다.

이 때의 물의 압축률은 불과 3%로 100기압에 있는 물과 같은 압축율입니다. 이 높게 압축된 물이 앞서 언급한 DNA 분자가 통과할 수 없는 상태를 낳고 있다고 아키멘티예프 교수 연구팀은 보았습니다. 컴퓨터 시뮬레이션 영상에서는 압축된 물이 DNA 분자를 밀어내는 상태가 재현되어 있습니다.

Water compression blocks DNA - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=c5KYL0UBNA0