젠 디온 박사: 나노 규모로 세상을 바꾸다
2025년 11월 26일
7분 읽기
나노광학 분야의 선구자가 빛을 활용해 새로운 데이터를 발견하고 과학의 경계를 확장해 나간다.
글: 로라 비스턴
그림: 리비아 프라타
창의적인 엔지니어이자 기업가, 수상 경력이 있는 스탠퍼드 대학교 교수인 젠 디온 박사는 분자 수준에서 빛을 조형합니다. 그녀는 우리가 아직 발견하지 못한 모든 것에 동기를 부여받아 건강과 지속가능성 분야에서 '불가능의 과학'을 밝히는 데 열정을 쏟고 있습니다.
그 시절, 컴퓨터나 인터넷이 없던 시절에 그녀가 과학의 길을 걷게 된 계기는 가장 좋아하던 TV 프로그램 중 하나인
"데이나 스컬리와 폭스 멀더가 팀을 이뤄 미스터리를 해결하는 모습이 정말 멋지다고 생각했어요," 젠이 말한다. "그리고 아주 오랫동안 저는 초자연 현상 연구원이 되고 싶었어요."
우연히 동네 서점에서 '초자연 현상'과 '물리학' 관련 서적이 나란히 진열되어 있었기에, 그녀는 양자 물리학, 천체 물리학, "그리고 재미있는 물리학 주제들"에 대해 읽기 시작했다. 그렇게 그녀는 물리학에 푹 빠져들었다.
대학에서 젠은 물리학, 시스템 과학, 수학을 전공했다. 졸업 후 그녀는 중서부에서 캘리포니아 공과대학(Caltech)으로 이주하여 응용 물리학 박사 학위를 취득했다.
캘텍에서 젠은 나노광학, 즉 나노 규모에서의 빛 연구를 접했다 . "특정 나노물질이 본질적으로 빛을 축소시키는 기계처럼 작용할 수 있다는 걸 배웠던 게 기억나요," 그녀는 회상하며, "그 분야가 정말 매력적이라고 생각했어요."
나노광학 연구를 글로벌 보건, 지속가능성, 생화학 분야에 적용한 이 재료과학자는 원자 수준에서 빛을 조작하는 실험을 주도하면서 화학 분야("내 안전지대 밖이었죠")에서 ("재미있는") 박사후 연구원 과정을 수료하기도 했다.
그녀는 2010년 스탠퍼드 대학에서 교수이자 연구원으로 28세의 나이에 시작했으며, 그녀의 명성은 계속해서 상승했다—가시광선이 뒤로 휘어지는 현상을 최초로 입증했으며 물리학 분야에서 근본적인 발견을 이루어냈다.
그녀는 이후 수많은 상을 수상했는데, 오바마 대통령으로부터 수여된 대통령 초기 경력 과학자·공학자 상, 무어 발명가 펠로우십, 앨런 T. 워터먼 상 등이 포함된다. 또한 스탠퍼드 대학이 여러 시설에 걸쳐 공유 연구 시설을 현대화하는 데 기여했다.
그녀의 다학제 연구 그룹인 D-Lab은 "암, 결핵, 알츠하이머병과 같은 질병이 빛으로 검출되고 치료되는 세상을 구축하고자 한다."
D-Lab은 빛을 탁월한 정밀도로 증폭 및 제어하는 '고품질계수(Q-quality factor) 메타표면'이라 불리는 세계 최초의 나노구조 실리콘 칩을 개발했습니다. 이 기술은 환경 DNA 검출, 대사산물 추적, 지속가능 화학, 그리고 컴퓨팅 및 양자 응용을 위한 광자 장치 등 다양한 분야에 적용됩니다.
이 모든 것이 인상적이지 않다면, 젠은 양자 정보 과학 연구 및 컴퓨팅 개발을 선도하는 국가 기관인 Q-Next의 부국장으로도 활동하고 있습니다. 게다가 그녀는 기업가이기도 합니다.
그녀의 회사인 펌킨시드 테크놀로지스는 고해상도, 고속 처리 단백질 시퀀싱을 위한 이러한 실리콘 칩을 개발하고 있습니다. 펌킨시드의 플랫폼은 기존 질량 분석법보다 높은 해상도와 감도를 제공하여 프로테옴의 '광속 읽기'를 가능케 함으로써 더 빠른 진단 및 치료제 발견을 실현합니다.
"인공지능이 보건의료 분야에 혁명을 일으키려면 생물학적 기능 분자에 대한 데이터가 필요합니다. 단백질은 생물학적 기능의 핵심 분자 중 하나임에도 불구하고, 단백질 서열 데이터는 극히 부족합니다."라고 그녀는 설명하며, 새로운 플랫폼이 "반세기 동안 표준으로 여겨져 온 질량 분석 이미징보다 해상도가 높고 처리량이 많으며 감도가 우수하다"고 덧붙였습니다.
펌킨시드의 혁신적인 나노포토닉 센서 칩 최적화 기술이 과학계에 파장을 일으키고 있다. 쇼에이의 "단백질체에 대한 광속 분석 기술은 세포 과정에 대한 쇼에이의 혁신적으로 변화시키고 치료제 개발의 새로운 길을 열 것"으로 기대된다.
결국 그녀는 이렇게 말한다. "건강과 지속가능성에 대한 통찰력을 밝히는 데 빛을 어떻게 활용하고 제어할 수 있는지가 핵심입니다."
"대부분의 경우 빛은 분자와 상호작용하는 데 매우 비효율적입니다."라고 젠은 설명한다. "그래서 우리는 그 상호작용을 개선하는 소재를 설계했습니다. 생화학적·생물학적 시스템에 대한 새로운 데이터를 얻는 것은 물론, 그 분자들을 제어하기 시작하기 위해서죠. 우리는 빛을 화학적 메스처럼 사용해 분자들의 활동을 구조화할 수 있게 합니다."
예를 들어 올해 초, 그녀와 스탠퍼드 대학 연구팀은 세포 간 기계적 힘을 측정하는 최초의 센서들을 개발했습니다. 이제 젠은 배아 발생—급속한 세포 분열, 증대 및 분화를 포함한 복잡한 생물학적 과정—을 대상으로 실험을 진행 중입니다.
"특정 배아에 작용하는 힘들은 무엇이며, 그 힘들은 몇 개의 세포로 이루어진 유기체에서 완전히 형성된 인간이나 줄무늬 물고기로 성장하는 과정에서 어떻게 변화할까?" 그녀는 미소를 띠며 궁금해한다.
원자 규모의 응용
발광 응용 분야를 넘어, 젠은 나노스케일 광흡수에 대해 기대를 표하며 금속 및 반도체 나노구조를 조정하여 화학 반응을 제어하는 데 활용하는 연구를 진행 중이라고 덧붙였습니다. 그녀의 연구실은 또한 발광 나노물질의 경로를 연구하기 위해 원자 수준 특성 분석 기술을 활용하고 있습니다.
"우리는 다양한 반응 조건에서 광학 재료가 나노 및 원자 규모에서 어떻게 변화하는지 연구하기 위해 환경 투과전자현미경을 일상적으로 사용합니다."라고 그녀는 설명한다. 이러한 실험을 통해 나노물질 작동 중 원자 규모에 가까운 구조적 변화를 직접적이고 동적으로 시각화할 수 있다.
예를 들어, 그녀의 연구실은 암모니아 합성용 광촉매가 반응 중에 어떻게 재구조화되어 활성 부위와 최대 흡수 파장 모두를 변화시키는지 발견했습니다. "우리는 단일 입자 수준에서 이러한 통찰력을 얻을 수 있으며, 이미징과 광학 및 전자 분광법을 결합하여 유도함으로써 가능합니다. 따라서 이러한 방법들은 본질적으로 나노물질 작동에 관한 이전에는 볼 수 없었던 세부 사항을 분해할 수 있는 고해상도 렌즈를 제공하며, 이러한 통찰력을 활용하여 구조와 기능을 개선하는 것을 목표로 합니다."
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진실은 저 밖에 있다
매년 봄, 젠 교수는 '불가능의 과학'이라는 신입생 강좌를 가르친다. 비과학 전공자를 위해 설계된 이 강좌는 "과학의 역사, 발견이 어떻게 이루어졌는지, 그리고 미래가 어디로 향할지에 관한 것"이다.
젠은 학생들(일반 대중은 말할 것도 없고)이 많은 경우 영향력 있는 과학적 발견이 "실용성을 염두에 둔 사람들이 아니라 실험실에서 이것저것 해보던 중" 이루어진다는 점을 이해하는 것이 유용하다고 생각한다.
이 수업은 과학의 미래가 어떻게 펼쳐질지, 그리고 그 과학이 사회에 미치는 정치적·윤리적 함의를 함께 고민해볼 수 있어서 재미있습니다.
과학의 궤적과 흐름을 이해하는 것이 핵심입니다.
그녀의 기여에 관해, 젠은 현재 머신러닝 모델을 활용한 표면증강 라만 분광법(SERS) 기법에 대해 "매우 흥분하고 있다".
우리는 특히 인공 지능과 컴퓨팅( 쇼에이의 양자 계산 쇼에이의 포함)을 통해 주어진 라만 신호를 해석하여 이전에 본 적 없는 분자 구성 요소가 무엇인지 식별할 수 있는 체제에 진입하고 있습니다.
예를 들어 결핵의 경우 항생제 선택을 위한 배양 검사에 몇 주가 소요될 수 있다. 젠은 감염이 확인된 당일에 라만 기반 센싱 기술로 올바른 항생제를 식별하고 처방할 수 있는 세상을 상상한다.
이 생체 감지 분야는 곧 다가올 흥미로운 응용 분야가 많습니다. 젠이 덧붙입니다: 유해 조류 번성 관찰이든, 생물학적 위협 탐지든, 폐수 모니터링이든, 면역 치료 결과를 예측하기 위한 세포 표현형 분석이든...
믿고 싶어 🛸
미래를 바라보며, 젠은 우리가 아직 발견하지 못한 모든 것에 동기를 부여받습니다. "해결되지 않은 문제들이 많으며, 연구자들은 이를 해결하기 위해 과학의 최전선에서 새로운 데이터를 창출해야 합니다."
그녀는 덧붙입니다. "건강과 지속가능성, 더 에너지 효율적인 컴퓨팅, 더 빠른 우주 여행 등... 이 문제들을 해결하려면 모든 사람의 협력이 필요합니다."
사람들이 상상력을 발휘하도록 권하고 싶습니다. 인공지능이 모든 힘든 일을 대신해주지는 않을 것입니다. 오히려 아이디어를 브레인스토밍하는 훌륭한 도구가 될 수는 있겠지만, 정답을 제공해주지는 않을 것입니다. 인간에게 여전히 해야 할 일이 많이 남아 있습니다.
본질적으로 그녀는 예술과 과학 사이에 큰 차이가 없다고 결론지었다.
창조의 불꽃은 정말 중요합니다... 우리는 역사상 매우 흥미로운 시기에 살고 있습니다. 아직 이루어야 할 일이 너무나 많고, 탐험되지 않은 영역도 무궁무진합니다. 우리는 아직 표면만 긁어본 수준이라고 생각합니다.
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