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원자 하나까지 세밀하게 보는 가장 정교한 '나노입자 촬영기술' 나왔다

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원자 하나까지 세밀하게 보는 가장 정교한 '나노입자 촬영기술' 나왔다

2020.04.03 07:00
IBS 나노입자 연구단과 미국 로렌스 버클리 국립연구소, 호주 모나쉬대 등 국제공동연구진은 액상 투과전자현미경(Liquid cell TEM) 기술을 이용해 개별 나노입자의 3차원 구조를 세밀하게 촬영했다. 과학기술정보통신부 제공
IBS 나노입자 연구단과 미국 로렌스 버클리 국립연구소, 호주 모나쉬대 등 국제공동연구진은 액상 투과전자현미경(Liquid cell TEM) 기술을 이용해 개별 나노입자의 3차원 구조를 세밀하게 촬영했다. 과학기술정보통신부 제공

나노입자를 원자까지 3차원으로 관찰할 수 있는 새로운 분석 기법이 나왔다.  나노구조 연구를 활성화하고, 촉매의 성능을 높이거나 디스플레이의 색 순도를 향상시키는 등 나노기술 발전에도 도움을 줄 것으로 기대된다.


기초과학연구원(IBS)은 박정원 나노입자연구단 연구위원(서울대 화학생물공학부 교수)과 김병효, 허준영 IBS 연구위원팀이 호주 모나쉬대, 미국 로렌스버클리국립연구소(LBNL)와 함께 0.02nm(나노미터, 1nm는 10억 분의 1m)까지 관찰할 수 있는 새로운 분석 기술을 개발했다고 3일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 ‘사이언스’ 3일자 표지논문으로 발표됐다.


나노입자의 원자 배열은 여러 가지 재료의 성능에 영향을 미친다. 예를 들어 촉매의 표면 원자 배열이 미세하게 바뀌면 활성이 떨어진다. 디스플레이에서도 나노입자가 고르지 않으면 색 순도가 낮아진다. 연구팀은 고성능 나노 소재를 설계하거나 합성할 때 나노입자의 원자 배열을 정교하게 관찰하는 게 중요하다고 보고, 원자를 입체적으로 관찰할 기술을 개발했다. 


연구팀은 나노입자를 극미량의 용액에 녹인 뒤 얇은 탄소 신물질인 그래핀 두 장 사이에 끼우고 마치 코팅하듯 두 그래핀을 밀봉해 일종의 용기인 ‘액체셀’을 만들었다. 그 뒤 ‘액상 투과전자현미경(Liquid cell TEM)’을 이용해 전자를 투과시켜 액체 속 나노입자의 영상을 1초에 400장의 속도로 촬영했다. 시료 속 원자는 끊임없이 회전하기 때문에 정확한 구조와 위치 파악이 어렵다. 연구팀은 빅데이터 분석 알고리즘을 이용해 원자 하나하나의 위치를 추적하고, 이 정보와 수천 장의 이미지를 재구성해 세상에서 가장 작은 원자인 수소 원자의 6분의 1 크기인 0.02nm까지 구분이 가능한 정밀한 입체(3차원) 구조를 밝혀 내는 데 성공했다. 


연구팀은 실제로 백금 나노입자를 이용해 원자의 입체 배열을 관찰했다. 그 결과 같은 조건에서 만든 나노입자라도 원자를 보면 배열과 구조가 제각각 다르다는 사실을 확인했다. 기존에는 볼 수 없어서 추측만 해왔던 나노입자의 미세한 구조와 표면 특성 차이를 처음 ‘눈으로’ 확인한 것이다.

이번 연구를 이끈 IBS 나노입자 연구단 연구진의 모습이다. 맨 오른쪽 위가 공동교신저자인 박정원 IBS 연구위원이고 가운데가 공동1저자인 김병효 IBS 연구위원이다. 과학기술정보통신부 제공
이번 연구를 이끈 IBS 나노입자 연구단 연구진의 모습이다. 맨 오른쪽 위가 공동교신저자인 박정원 IBS 연구위원이고 가운데가 공동1저자인 김병효 IBS 연구위원이다. 과학기술정보통신부 제공

이번 연구로 나노 소재의 물리화학적 특성을 결정하는 표면 구조를 직접 관찰하고 연구할 길이 열렸다. 김병효 연구위원은 “추측만 해오던 나노입자의 정밀구조를 원자 수준에서 직접 관찰했다”며 “다양한 나노입자의 성능을 향상시키는 데 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.


박정원 연구위원은 “인공지능으로 물질의 성질을 예측하고, 합성하는 것이 미래 소재 개발의 중요한 방법론으로 대두되고 있다”며 “연료전지 등의 촉매와 디스플레이, 신약 개발 등 광범위한 과학기술 분야에서 나노재료의 설계 및 합성에 중요한 단서를 제시했다”고 의의를 설명했다.
 

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