Formation mechanism and optical/magnetic properties of high-entropy (FeCuMn)(WMo)O₄₋ₓSₓ nanosheets synthesized via hydrothermal method

암 치료는 종종 어려운 절충점에 직면합니다. 몸속 깊은 곳의 종양을 볼 수 있는 도구들은 대개 그것을 파괴하기에는 너무 약하며, 반대로 파괴할 만큼 강력한 도구들은 정밀하게 유도하기가 어렵습니다. 과학자들은 오랫동안 이 두 가지를 모두 수행할 수 있는 단일 물질을 찾아왔습니다. 즉, 빛을 흡수하여 암세포를 죽이는 열을 발생시키는 동시에, 인체 내부를 관찰하는 데 사용되는 강력한 스캐닝 기술인 자기공명영상(MRI)의 신호 전달자 역할을 할 수 있는 물질 말입니다. 한 가지 작업에 능숙한 대부분의 물질은 다른 작업에는 서투르거나, 종양이 숨어 있는 인체 조직의 깊은 층에서 작동하는 데 실패하곤 합니다. 이를 해결하기 위해 연구자들은 '고엔트로피 물질'이라 불리는 새로운 부류의 물질에 주목하고 있습니다. 이들은 단 두세 개의 원소로만 이루어진 단순한 화합물이 아니라, 다섯 가지 이상의 서로 다른 금속이 하나의 안정적인 구조 안에 결합된 복잡한 혼합물입니다. 이러한 독특한 배열 덕분에 이들은 일반적인 물질이 달성할 수 없는 조합된 특성을 가질 수 있으며, 침습적인 수술 없이 질병을 치료하는 새로운 방법을 제공할 수 있습니다.

최근 연구에서, 중국 중커 웨이시 계기 유한공사(Chengdu Zhongke Weishi Instrument Co., Ltd.)의 황 화웨이(Huawei Huang)가 이끄는 연구진은 이 간극을 성공적으로 메우는 새로운 물질을 만들어냈습니다. 그들은 철, 구리, 망간, 텅스텐, 몰리브덴의 고엔트로피 혼합물에 산소와 황을 결합하여 만든 얇은 시트 형태의 물질을 개발했습니다. 연구진은 수열 합성법(hydrothermal method)을 사용하여 이 나노시트를 합성했는데, 이는 압력솥과 유사하게 높은 압력 하에서 물에 화학 물질을 넣고 가열하는 과정입니다. 이 혼합물을 얼마나 오랫동안, 어떤 온도로 조리할지를 세심하게 조절함으로써, 연구진은 이 다섯 가지 서로 다른 금속이 분리되거나 불순물을 형성하려는 자연스러운 경향을 극복하고 하나의 균일한 결정 구조로 완벽하게 섞이도록 강제할 수 있었습니다.

이 합성의 결과는 놀라웠습니다. 생성된 나노시트는 가시광선부터 근적외선 영역에 이르기까지 매우 넓은 범위의 파장의 빛을 흡수하는 이례적인 능력을 보여주었습니다. 이는 근적외선이 가시광선보다 인체 조직을 더 깊게 투과하여 피부 아래 숨겨진 종양에 도달할 수 있기 때문에 매우 중요합니다. 이 물질은 빛을 매우 효과적으로 흡수하여, 연구진이 나노시트 샘មាន 샘플에 레이저를 비추었을 때 단 5분 만에 액체의 온도가 섭씨 38도 상승했습니다. 이러한 급격한 가열은 빛을 열로 변환하여 암세포를 익혀서 파괴하는 광열 치료(photothermal therapy)에 대한 이 물질의 잠재력을 입증합니다. 이 물질은 의학계에서 사용되는 두 가지 서로 다른 적외선 영역에서 우수한 성능을 보였으며, 이는 심부에 위치한 종양을 치료하는 데 효과적일 수 있음을 시사합니다.

열을 발생시키는 능력 외에도, 이 물질은 자기공명영상(MRI)을 위한 탁월한 조영제로도 입증되었습니다. 자기장 안에 놓였을 때, 나노시트는 쉽게 켜고 끌 수 있는 연자성(soft magnet)처럼 행동하며 강한 자성을 나타냈습니다. 이러한 특성은 의료 영상 분야에서 매우 중요한데, 이는 물질이 MRI 스캔의 대비를 높여 종양이 건강한 조직 사이에서 뚜렷하게 눈에 띄도록 만들어주기 때문입니다. 연구에 따르면 이 물질은 이중 모드 조영제로서 작동하여, 의사들이 질병을 진단할 때 사용하는 두 가지 유형의 MRI 신호를 모두 개선할 수 있었습니다. 이러한 이중 능력은 시트 전체에 고르게 분포된 망간과 철 이온이 함께 작용하여 강력한 자기 반응을 만들어내는 특정 금속 혼합물에서 비롯됩니다.

연구자는 또한 이 물질의 성공 여부가 생성 과정에서 사용된 온도에 전적으로 달려 있다는 사실을 발견했습니다. 혼합물을 섭씨 140도로 가열했을 때는 금속들이 제대로 섞이지 않아 원하는 특성이 없는 지저분한 화합물들의 조합이 되었습니다. 그러나 온도를 섭씨 200도로 높이자, 원자들이 재배열되어 완벽한 단일 상의 고용체(solid solution)를 형성했습니다. 이 더 높은 온도에서는 에너지가 충분하여 평소 이 금속들을 갈라놓던 자연적인 장벽을 극복하고, 안정적이고 균질한 시트를 형성할 수 있었습니다. 이 발견은 이러한 복잡한 물질을 설계하는 데 있어 열의 결정적인 역할을 강조하며, 적절한 조건이 낮은 온도에서는 불가능한 수준의 균일성을 이끌어낼 수 있음을 증명했습니다.

최종 생성물은 종양을 보는 능력과 종양을 치료하는 능력을 결합한 다재다능한 플랫폼입니다. 이 나노시트는 혈류를 타고 이동하여 종양 조직에 축적될 수 있을 만큼 작으며, 레이저로 활성화하여 열을 발생시키는 동시에 의사들이 과정을 모니터링할 수 있도록 선명한 영상을 제공할 수 있습니다. 이 연구는 고엔트로피 접근 방식이 넓은 흡수 범위, 효율적인 열 생성, 그리고 강한 자기적 특성을 모두 갖춘 하나의 패키지를 만들어낸다는 것을 확인시켜 주었습니다. 다섯 가지 서로 다른 금속을 하나의 기능적인 나노시트로 융합할 수 있음을 보여줌으로써, 이 연구는 현재의 방법보다 더 효과적으로 암을 진단하고 치료할 수 있는 첨단 도구를 개발하는 새로운 길을 열어주었습니다.