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나노입자의 ‘다양한 얼굴’을 포착하다

0.02nm 해상도 초고속 카메라로 찍고, AI로 입체 구조 파악…Science誌 표지논문 게재

이번 연구가 실린 Science誌 표지. Science는 ‘눈으로 확인할 수 있게 된 다양성(Visible Variety)’이라는 문구와 함께 이번 연구를 소개했다. (출처: Science)
▲ 이번 연구가 실린 Science誌 표지. Science는 ‘눈으로 확인할 수 있게 된 다양성(Visible Variety)’이라는 문구와 함께 이번 연구를 소개했다. (출처: Science)

원자의 배열 등 나노입자 구조의 미세한 변화는 소재 물성에 큰 변화를 야기한다. 하지만 지금까지는 나노입자의 전체적 형상만 관찰할 뿐, 구조를 면밀히 관찰할 수 있는 기술이 없었다. 이 때문에 같은 조건에서 합성됐을 경우 나노입자의 구조가 모두 동일할 것으로 추측해왔다.

연구진은 개별 나노입자의 미세한 구조와 표면 특성 차이를 관찰할 수 있는 기술을 개발하고, 이를 통해 나노입자가 사실 매우 다양한 구조를 갖추고 있음을 증명했다.

우선, 연구진은 용액에 녹인 나노입자를 그래핀 두 장 사이에 담고, 이를 밀봉해 일종의 용기인 ‘액체 셀’을 제조했다. 그 다음 액상 투과전자현미경(Liquid Cell TEM)을 이용해 액체 속 나노입자의 모습을 초당 400장의 속도로 촬영했다. 용액 속 나노입자는 끊임없이 회전하기 때문에 정확한 구조와 위치 파악이 어렵다. 연구팀은 개별 나노입자의 움직임을 추적하며, 촬영된 수천 장의 이미지를 3차원으로 재구성하는 알고리즘으로 처리하여 정밀한 입체구조를 얻었다. 그 결과 0.02nm 크기까지 구분이 가능한 정밀한 영상을 얻을 수 있었다. 이는 세상에서 가장 작은 원자인 수소 원자보다 6배나 작은 크기다.

액상 투과전자현미경(Liquid Cell TEM)을 통한 개별 나노입자의 ‘3차원 증명사진’ 촬영 과정.
▲ 액상 투과전자현미경(Liquid Cell TEM)을 통한 개별 나노입자의 ‘3차원 증명사진’ 촬영 과정.

연구진은 이 기술을 통해 백금(Pt) 나노입자의 3차원 원자 배열을 관찰했다. 그 결과, 동일한 조건에서 만들어진 나노입자라도 결정 표면의 배열과 구조가 제각각 다름을 확인했다. 나노소재의 물리‧화학적 특성을 결정하는 표면 구조를 직접 관찰할 수 있게 된 것이다.

박정원 연구위원은 “촉매, 디스플레이, 신약 개발 등 광범위한 과학기술 분야에서 나노재료의 설계 및 합성에 중요한 단서를 제시한 것”이라며 “촉매의 성능 개선, 디스플레이 색 순도 향상 등 다양한 응용 분야에 파급 효과가 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구결과는 세계 최고 권위의 국제학술지 사이언스(Science) 4월 3일자 표지논문으로 게재됐다.

개별 나노입자의 3D 증명사진 촬영영상
▲ 개별 나노입자의 3D 증명사진 촬영영상

IBS 커뮤니케이션팀
권예슬

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    최종수정일 2021-04-14 16:54