단체 사진을 촬영해도 저마다 표정이 다르듯, 같은 나노입자라도 원자 배열에서 미세한 차이가 존재한다. 개별 나노입자 하나하나의 구조를 면밀히 파악하여 이 차이를 구분할 수 있는 새로운 도구가 개발됐다.

기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단은 호주 모나쉬대, 미국 로렌스버클리국립연구소(LBNL)와의 공동연구를 통해 나노입자의 3차원 구조를 원자 수준에서 분석할 수 있는 알고리즘 ‘3D 싱글(3D SINGLE)’을 개발했다.

▲ 3D 싱글 알고리즘을 활용해 얻은 백금 나노입자의 3차원 구조

소재의 물성은 재료를 구성하는 미세한 원자 위치 변화에도 민감하게 반응하다. 이 때문에 고성능 소재 개발을 위해서는 재료의 3차원 구조를 원자 수준에서 분석할 수 있는 기술이 필요하다. 게다가 코로나19 팬데믹과 같이 미증유의 바이러스가 등장한 상황에서는 분석기술의 중요성이 더 커진다. 바이러스의 3차원 구조를 원자 수준에서 정확하고 빠르게 파악해야 진단기술 및 치료제 개발 시 타깃할 부위를 찾아낼 수 있기 때문이다.

초저온전자현미경(Cryo-EM) 등 분석기술의 발전으로 나노입자의 3차원 구조를 파악할 수 있게 됐지만, 기존 기술은 동결된 시료에서 얻은 이미지만을 처리할 수 있다는 한계가 있었다. 동결 과정에서 단백질 및 재료의 구조변화가 생길 수 있다는 의미다. 또한 기존 기술은 동일한 구조를 갖는 다량의 입자를 한 번에 동결시켜 여러 각도의 사진을 얻고, 이 데이터를 처리해 입자 하나의 3D 이미지를 얻는 방식이었다.

제1저자인 허준영 연구원은 “여러 입자를 합성해 하나의 입자로 재구성하는 것보다, 하나의 원자를 추적 관찰하는 것이 나노입자의 ‘표정’까지도 정확히 파악할 수 있다”고 설명했다.

연구진은 2020년 나노입자의 전체적 형상을 넘어 원자 배열까지도 입체적으로 관찰할 수 있는 기술을 세계 최초로 개발한 바 있다(‘20.04, Science). 이번 연구에서는 자체 개발한 ’3D 싱글‘ 알고리즘을 액상 투과전자현미경에 접목해 관찰 성능을 대폭 높였다.

▲ 나노재료의 구조분석을 위해 이용된 주요 컴퓨터 공학 기법들.

연구진은 관찰하려는 원자만 최대 1.5배 더 뚜렷하게 관찰할 수 있도록 알고리즘을 개선했다. 또한 기존보다 10배가량 빠른 속도로 3차원 구조를 파악할 수 있게 했다. 그 결과, 지난 연구에서는 관찰이 어려웠던 크기 2nm 미만의 극미세 입자까지도 추적할 수 있었다.

박정원 연구위원은 “코로나19 바이러스의 변이처럼 기존과 다른 미세한 구조변화까지도 포착하여 분석해 내는 것이 가능할 것”이라며 “향후 촉매·디스플레이‧신약 개발 등 광범위한 분야에서 소자의 성능개선 및 신물질의 설계‧합성에 기여할 것”이라고 말했다.

연구결과는 재료분야 세계적 권위지인 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 1월 30일자에 실렸다.

IBS 커뮤니케이션팀
권예슬