생체 샘플을 나노크기로 자를 수 있는 탄소나노튜브

 

많은 생물학과 공학적 연구를 위해서 매우 얇게 잘린 물질이 필요하다. 예를 들어 세

포 수준의 생물체를 연구하는 생물학자들은 5-100 nm 두께의 샘플이 자주 필요하

다. 이런 박막 샘플을 준비하는 이유는 투과전자현미경으로 나노미터 크기의 단백

질 복합물을 눈으로 직접 볼 수 있도록 하기 위해서이다. 대부분의 생체 세포들은 투

과전자현미경으로 직접 관찰하기에는 너무 두꺼워서 전자 투과가 되도록 충분히 얇

게 만들어야 한다. 

 

이 문제를 해결하기 위해서 그동안 화학약품으로 세포를 처리해서 액체 수지가 포함

된 세포액(cellular water)으로 교환하고 수지를 경화시킨 후에 유리나 다이아몬드 

칼을 사용해서 20-500 nm 두께로 세포를 얇게 잘라내는 과정을 거쳤다. 최근에는 빙

정(ice crystal)이 형성되지 않도록 하면서 샘플을 얼게 만드는 방법을 개발하고 있

다. 유리화된 샘플은 더 신뢰할 수 있는 살아있는 상태로 보존된다. 세포 절단은 주

로 다이아몬드 칼을 가지고 하지만 유리화된 샘플을 자르면 얼어 있는 세포의 꽉 짜

여진 결정구조 때문에 다이아몬드 칼이 통과할 때 상당한 압력을 받게 된다. 이러한 

절단을 하면 다이아몬드 칼의 모서리 부분이 심하게 구부려지고 절단면이 압축과 열

구로부터 손상을 받는다. 

 

이런 문제를 해결하기 위해서 미국 콜로이드 대학(University of Colorado at 

Boulder, CU-Boulder)과 Institute for Critical Technology and Applied Science 연

구진은 뒤틀림이 발생하지 않고 언 세포를 자를 수 있는 나노나이프(nanoknife)를 

만들었다. 이 나노나이프는 두 개의 날카로운 텅스텐 바늘 사이를 각각의 탄소나노

튜브가 뻗어나가도록 만들어졌다. 단단한 줄로 된 치즈 슬라이서(wire cheese 

slicer)와 압축 절단 장치를 나노크기로 만들어 놓은 것과 같은 원리이다. 탄소나노

튜브의 매우 얇은 지름과 높은 기계적 강도는 유리화된 물이나 세포 구성요소에 영

향을 끼치지 않으면서 쉽게 절단할 수 있도록 할 것이다. 

 

각각의 다중벽 탄소나노튜브는 기존의 주사전자현미경을 사용해서 쉽게 볼 수 있고 

조절할 수 있다. 연구진은 SEM에 장착된 마이크로조종 시스템으로 나노나이프의 

기계적 강도와 절단 능력을 조사했다. 

 

이 나노나이프를 상세하게 살펴본 결과, 탄소나노튜브와 텅스텐 와이어 사이가 약하

게 접합되었다는 사실을 알게 되었다. 그럼에도 불구하고 이 장치는 ~1 μN(매우 작

은 힘이지만 세포를 자르기에는 충분한 힘)을 견딜 수 있다. 이 연구가 차세대 절단 

장치를 향한 디딤돌이 될 것이라고 연구진은 말했다. 이 나노나이프는 생물학적 영

역이나 공학적 분야에 사용될 수 있고 다양한 나노제조에 적용될 수 있을 것이다. 

 

 

그림 1. 탄소나노튜브 장치의 기계적 시험. 주사전자현미경의 AFM 팁을 사용해서 

탄소나노튜브의 기계적 강도를 알기 위해서 텅스텐 바늘 사이의 탄소나노튜브를 밀

고 있는 사진. 

 

그림 2. 절단 과정. 텅스텐 바늘 사이의 탄소나노튜브를 사용해서 삼각형 모양의 폴

리머 에폭시 샘플을 절단하고 있는 사진.

 

http://nanotechweb.org/

출처 : KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2009-02-13