Lane Baker 박사,
인디아나 대학교 교수

인디아나 대학교에 소속된 Baker 박사 연구실은 분석/재료 화학 전공자들로 구성되어 있으며 전기화학, 생분석 화학, 신 질량 분석법, 전극 제작 재료 및 관련 장비 개발과 같은 다양한 분야의 연구를 진행하고 있다. 그의 연구실은 현재 10여 명에 달하는 세계 여러 나라 출신 학생/동료들로 구성된 분석 화학 분야의 학생들에게 매우 엄격한 교육을 시키고 있다.

지금 하고 계신 연구의 중요성과 현재 해당 분야에서 어떻게 적용되는지 설명해 주시겠습니까?

우리가 하는 연구분야는 두 가지 측면에서 중요성을 가질 수 있다고 생각합니다. 첫째, 우리는 complex systems 이온 흐름에 대한 연구를 향상시키데 도움을 줄 새로운 장비와 재료를 개발하고 있습니다. 이 complex systems에는 세포와 조직과 같은 생물학적 샘플뿐만 아니라 막과 중합체와 같은 합성 샘플도 포함됩니다. 이온은 생체 및 합성 두 종류의 시스템에서 에너지 소비의 수단이 되는 필수 요소로써 정말 작은 규모에서 이온 측정, 제어할 수 있게 된다면 이 일이 어떻게 진행되는지를 더 잘 이해할 수 있게 됩니다. 둘째로, 우리가 지금 하는 일에서 좀 더 중요한 부분은 아마도 다음 세대를 짊어지고 나갈 과학자를 양성하는 일일 것입니다. 우리는 "사고할 줄 알고 그 사고를 창의적으로 구체화해 낼 줄 아는(thinker and tinkerer) 학생을 길러내기 위해 열심히 노력하고 있습니다. 다시 말해서 학생은 자기가 하는 일의 근본을 제대로 이해해야 하는 것뿐만 아니라(be a thinker) 이를 통해 새로운 도구를 만들어 내거나 기존 기술을 새로운 용도에 맞게 변경 또는 고쳐나갈 수 있는 기량 또한 습득해야 합니다(be a tinkerer). 이것이 우리가 학생들을 양성하고자 하는 가장 중요한 점이고 우리 연구실 출신 학생/동료 연구자들은 특별히 이 부분에 대해 훈련을 잘 받고 있다고 생각합니다.

나노기술을 연구하는 연구팀과 어떤 공동 연구를 수행하고 계십니까?

우리는 물리학자, 세포 생물학자, 다른 화학자 그리고 재료 과학자와 공동 연구를 수행하고 있습니다. 나노기술의 장점 중 하나가 바로 어떤 분야의 어떤 연구에도 적용 가능하다는 것입니다. 대부분의 공동 연구는 우리 연구실에서 새로운 도구와 연구 방법을 개발하고 그것을 공동 연구팀으로부터 받은 매우 흥미로운 샘플에 적용하는 방식으로 이루어집니다.

전기화학 수송을 연구하는 것이 어떻게 전지 수명과 화학적 분해에 도움을 줄 수 있습니까?

우리가 연구하고 있는 나피온® 막에서 전기화학 수송은 연료 전지와 같은 주요 차세대 에너지 기술에서 전하를 양단에 균형적으로 분포시키는 핵심 단계 중 하나입니다. 막이 선택적으로 양성자(H+)를 수송하는 능력을 상실하게 되면 전반적인 성능의 저하가 일어나게 되는데 우리는 Park XE-Bio와 우리 연구실에서 개발한 SECM-SICM 프로브를 이용하여 분해된 막에서 이질성이 존재하는 것을 관찰할 수 있었습니다. 따라서, 이 시스템은 화학적 내구성이 향상된 차세대 막을 개발하는 데 필요한 유용한 도구가 될 수 있습니다.

이 이미지는 화학적으로 분해 된 나피온© 막을 보여준다. SICM-SECM 프로브를 이용하여 분해된 막을 통해 이온 수송의 변화를 관찰할 수 있다.

리튬이 표면 전하에 어떻게 영향을 미치는지를 이해하는 것이 왜 중요합니까?

리튬은 현재 흔히 볼 수 있는 리튬 이온 전지의 주요 성분입니다. 그러나 리튬 이온은 에너지 분야에서 흔히 사용되는 비액상 용매에서는 전혀 예측할 수 없는 방식으로 동작 합니다. 우리는 캘리포니아 대학교-어바인 (Zuzanna Siwy 연구실)과 오크리지 국립연구소 (Ivan Vlassiouk)에 있는 공동 연구팀과 함께 리튬 이온이 폴리카보네이트 필름에 흡착하여 양전하를 띠는 표면을 형성하는 것을 몇 번에 걸쳐 아주 깨끗하게 측정할 수 있었습니다. 이 결과는 표면적의 증가로 인한 표면 전하의 변화가 중요하게 고려되는 나노스트럭처링 전지 재료에서 매우 중요한 참고 자료가 될 것입니다.

전기분무를 이용한 새로운 SICM을 개발하게 된 이유가 무엇인지, 그리고 기존의 방식과 비교해서 성능은 얼마나 개선되었는지 설명해 주시겠습니까 ?

우리는 표면 패터닝을 위한 새로운 방법, 그리고 새로운 표면 이탈 질량 분석 기법을 구현하기 위해 전기분무 이미징 시스템(Scanning Electrospray Microscopy, or SESM으로 불립니다)을 개발하였습니다. SESM은 또한 기존에 난제였던 초미세 규모에서의 전기분무 프로세스를 이해할 기회를 제공하고 있습니다.

Park XE-Bio제품과 통합되도록 개발된 스캐닝 전기분무 현미경(SESM) 모듈을 통해서 수집된 이미지. 나노피펫으로부터 나오는 전기분무를 통해 피드백과 위치 제어가 이루어지는 영역에서 1마이크론 크기의 두 폴리스티렌 입자를 관찰할 수 있다.

Park XE-Bio를 이용한 표면 이온 전류 정류 측정. 전류-전압 정류 반응(ICRR)을 표면에서 멀리 떨어진 위치와 표면 근접 위치에서 각각 측정하면 최종 표면 전하를 추정할 수 있다. 리튬 이온 용액 내에서 측정된 프로필렌 카보네이트 막 상의 양전하가 도면에 표시 되어 있다.

SICM이 이온 측정에 어떻게 도움을 주는지, 그리고 과거의 방식과 비교하여 이 방식이 어떻게 다른지 설명해 주시겠습니까?

SICM을 이용 시 가장 큰 차이는 극도로 작은 영역에서 이온 흐름을 측정할 수 있다는 것입니다. SICM은 운용상 생물학적 그리고 전기화학적으로 유사한 용액 내에서 고해상도 이미지를 측정할 수 있다는 점에서 매우 훌륭한 도구입니다. 더욱 중요한 점은 많은 화학적 프로세스를 SICM 또는 하이브리드 형태의 SICM (SECM-SICM과 같은)을 이용하여 측정할 수 있다는 사실이며 SICM 이용자들은 지난 10년 동안 이를 증명하는 다수의 흥미진진한 측정 기능을 SICM에 추가해 왔습니다.

하이브리드 스캐닝 전기화학 현미경–스캐닝 이온 전도 현미경 (SECM-SICM)의 탐침. 가운데 배럴이 거리 조정을 위한 SICM에 사용되고, 반월형 금 전극은 유도 전류의 전자 이동을 측정하는 데 사용된다. 전체 피펫은 기상 증착 파릴렌 층으로 절연되어 있다.

Park SICM을 연구에 어떻게 사용하고 계십니까, 그리고 Park SICM을 사용함으로 얻는 것은 무엇입니까?

우리 연구실에 수행하는 여러 과제에 파크시스템스 제품을 사용하고 있습니다. 특히 에너지 관련된 연구와 스캐닝 전자분무 현미경(SESM) 개발에 사용하고 있습니다. Park XE-Bio는 정말 사용자 편의성을 잘 고려하여 제작된 장비라서 대부분의 학생들 교육을 이 장비를 가지고 시작했습니다. 파크시스템스 제품은 또한 물리적 설계가 훌륭하고 전자 장치는 뛰어난 신호대잡음비율을 보여줍니다. 여러 실험에서 SICM 헤드를 원자현미경 헤드로 교환하는 기능은 원자현미경이 훌륭한 자료를 얻을 수 있도록 해주는 매우 유용한 기능이라는 것이 입증 되었습니다.

어떻게 우리가 원자현미경에 기초한 생분석(Bioanalysis)을 질병 연구에 이용할 수 있습니까?

원자현미경은 여러가지 세포의 특성을 측정 하기에 알맞은 장비인데 특히 질병의 생리를 이해하는 데 매우 유용한 세포 강성과 같은 특성을 측정하는데 매우 적합합니다. 좀 더 흥미로운 원자현미경만의 응용 분야 중의 하나인 풀오프에 기반을 둔 세포 표면 수용체 매핑은 우리가 생명 활동을 이해하는 데 많은 도움을 줄 수 있는 정말 흥미로운 응용분야입니다.

DNA 연구에 앞으로 SICM를 이용하게 되면 어떤 발전을 기대할 수 있는지 말씀해 주시겠습니까?

SICM은 최근 단일 세포의 세포 이하 영역에서 DNA를 추출하는 도구로 사용되어 DNA를 세포의 유전체 탐색에 이용할 수 있도록 돕고 있습니다. 저는 이런 응용이 미래에 매우 강력한 연구 방법이 될 것이라고 예상합니다.

백악관 과학기술 정책 사무국에서 나노기술 분야의 현 어시스턴트 디렉터이며 바이오 센서 분야에 많은 연구 업적을 쌓은 Lloyd Whitman과 함께 일하셨던 경력이 있으신데 그때 같이 수행했던 몇 가지 연구 과제와 그 의의에 대해서 말씀해 주실 수 있으십니까?

저는 그때 워싱턴 DC에 있는 해군 연구소 소속 NRC 박사후 연구원이었고 Lloyd는 저의 멘토였습니다. Lloyd 연구실에서 여러 영리한 직원 과학자(Arnaldo Laracuente, Tom Clark, Paul Sheehan)와 다른 박사후연구원과 함께 바이오 센서와 계면 화학/물리 분야의 연구를 수행하였는데 저는 Lloyd로부터 주사 탐침 현미경, 특히 스캐닝 터널링 현미경(STM)에 대한 좋은 교육을 받았습니다. 그때 받았던 교육은 이후에 SICM을 이용하는 저의 연구 그룹을 시작하게 되는 훌륭한 밑바탕이 되었습니다.

(위) 스캔 이온 전도도 현미경 (SICM) 고분자막과 맞물린 미세 배열의 나노 기공 이미지
(아래) 스캐닝 전기화학 현미경(SECM)을 이용하여 산화 환원 활동적 분자가 막의 나노기공를 통해 확산되는 현상 또는 미세 전극 배열에 산화 환원 사이클링을 측정한 이미지.