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- 기존 생체 재료 무작위 레이저는 재료가 희귀하고 고가, 불안정하거나 심지어 독성 강해
- 복잡한 기술에 의존하는 대신, 땅콩 알갱이의 자연적인 미세 구조가 자체로 역할 수행
- 바이오 기반 랜덤 레이저는 기존 레이저보다 환경친화적이고 비용 효율적이다.
- 이 레이저가 의료 진단 및 영상 진단에 중요한 도구가 될 수 있다

자작나무 잎과 땅콩으로 만든 바이오 레이저
재생 가능한 소재를 기반으로 새롭게 개발된 레이저 공진기 개발

자연 기반 레이저 기술:
물리학자들이 자작나무 잎과 땅콩 알갱이와 같은 생체 재료로만 구성된 공진기를 가진 새로운 레이저를 개발했다. 따라서 이 바이오 기반 랜덤 레이저는 기존 레이저보다 환경친화적이고 비용 효율적이다. 연구진은 이 레이저가 의료 진단 및 영상 진단에 중요한 도구가 될 수 있다고 보고했다. 

▲ R-CD@Peanut의 제작 공정 및 광발광. (a) R-CD@Peanut 제작 공정의 개략도. (b) R-CD 에탄올 용액, R-CD@Peanut 및 땅콩 알갱이의 형광 스펙트럼. (c) 다양한 표면(표면 I~V)에서 405nm 광 여기 하에 촬영한 R-CD@Peanut의 사진. (d) 다양한 표면(표면 I~V)에서 일광 하에 촬영한 R-CD@Peanut의 사진. (출처:Biomaterial-based random lasers achieved from peanut kernel doped with birch leaf–derived carbon dots / September 10, 2025 / De Gruter Brill)

기존 레이저는 동기적으로 진동하는 결맞는 빛의 집중된 빔을 생성한다.
이와 대조적으로, 소위 랜덤 레이저의 경우, 내부의 작은 입자가 처음에는 빛을 여러 방향으로 분산시킨 후 강렬하면서도 확산된 방사선 형태로 나온다. 이러한 특성 덕분에 랜덤 레이저는 조직과 같은 생물학적 샘플을 더욱 균일하게 조사하고 손상 없이 구조에 대한 자세한 정보를 제공할 수 있다. 따라서 랜덤 레이저는 의료 진단 및 질병 조기 진단 영상 진단에 유망하다.

땅콩 알갱이로 만든 레이저 공진기

중국 선전대학교의 황 지하오(Zhihao Huang)가 이끄는 연구팀은 생물학적 재료로만 구성된 무작위 레이저를 개발했다. 다른 연구팀들이 이미 생체 재료를 사용하여 무작위 레이저를 개발했지만, 이러한 재료들은 희귀하고 따라서 값비싸고 불안정하거나 심지어 독성이 강했다. 예를 들어 바다 달팽이 껍질이나 산호 뼈대를 엽록소나 다른 천연 색소와 결합한 재료가 있다. 더욱이, 이러한 생체 기반 무작위 레이저의 생산은 지금까지 매우 복잡했다.

왕(Wang)과 동료들은 레이저 제작에 널리 사용되고 빠르게 재생 가능하며 따라서 저렴한 두 가지 원료, 즉 자작나무 잎과 땅콩 알갱이를 사용했다. 물리학자들은 칼을 사용하여 땅콩 알갱이를 몇 밀리미터 크기의 정육면체로 잘랐다. 땅콩 알갱이의 거칠고 불규칙한 표면은 빛을 포집하고 산란시키는 데 도움이 된다. 스웨덴 우메오대학교의 지아 왕(Jia Wang) 선임 연구원은 "복잡한 기술에 의존하는 대신, 땅콩 알갱이의 자연적인 미세 구조가 그 자체로 이러한 역할을 수행한다"고 말했다.

▲ R-CD@Peanut 표면 I(a) 및 III(b)의 레이저 임계값 1/Pth에 대한 여기 영역 Ath2/3의 플롯. (c) R-CD@Peanut 생체재료 기반 랜덤 레이저의 개략도. (d) 및 (e) 다른 여기 전력에서 R-CD@Peanut의 레이저 발생 영역의 광학 현미경 사진.

또한, 왕과 동료들은 자작나무 잎을 알코올에 녹여 수 나노미터 크기의 작은 탄소 입자를 만들었다. 왕은 "탄소 구체의 합성은 간단하고 직관적이며, 본질적으로 한 단계로 진행되는 급속 비등 공정이다"고 설명했다. 연구진은 자작나무 잎에서 유기 반도체용 탄소 구조를 제작했던 이전 실험을 참고했다.

그런 다음 물리학자들은 입자가 포함된 액체를 땅콩 정육면체에 주입하고 섭씨 60도에서 건조했다. 이렇게 하면 알코올이 증발하고 탄소 구체만 남게 된다. 이 과정은 불규칙한 표면을 가진 공동을 생성하여 땅콩 재료 내에서 빛의 산란을 증가시킨다. 연구팀은 다양한 분광학적 방법을 사용하여 이를 설명하고 입증했다.

잠재력이 있는 바이오 레이저

생성된 레이저는 여전히 외부 광원에 의해 구동되지만, 빛을 산란시키고 증폭하는 공진기 구성 요소는 전적으로 생체 재료로 만들어졌다. 이 바이오레이저가 빛을 방출하려면 합성 소재로 만든 기존 레이저와 동일한 양의 에너지가 필요하다는 것을 연구팀은 발견했다. 연구진은 새로운 레이저가 비용 효율적이며 기능적일 뿐만 아니라 안전하다고 강조했다.

바이오 기반 랜덤 레이저는 기존 랜덤 레이저와 마찬가지로 향후 의학 분야에서 사용될 수 있다. 왕 박사는 "더 나아가 이 기술은 고가 문서, 명품, 전자 기기의 인증을 위한 광학 라벨 개발에도 활용될 수 있다"고 말했다. 탄소 구체를 첨가하면 복제가 어렵고 위조가 거의 불가능한 불규칙한 나노 구조가 생성되기 때문이다. "이 연구는 지역적으로 재생 가능한 재료만을 사용하여 고급 광학 기술을 개발할 수 있음을 보여준다."

참고: Nanophotonics, 2025; doi: 10.1515/nanoph-2025-0312
출처: Universität Umeå / 우메오 대학교

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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