우리는 얼마나 더 세밀하게 볼 수 있을까.
삼성미래기술육성사업이 지원한 기초과학연구원(IBS) 나노 입자 연구단 박정원 연구위원(서울대 화학생물공학부 교수) 연구팀이 세계 최초로 나노 입자의 3차원 구조를 0.02나노미터(nm)의 정확도로 분석했다. 1나노미터는 머리카락 굵기의 10만분의 1로 원자 3~4개가 모인 크기다. 0.02나노미터는 머리카락 두께의 100만분의 1이다.
연구 결과는 학계에서 난제로 여겨졌던 나노 입자의 표면 구조와 변화 요인을 규명한 성과를 인정받아 세계적인 학술지 사이언스(Science) 3일자 표지 논문으로 선정됐다. 이 기술은 디스플레이, 연료전지, 신약 개발 등 다양한 과학 기술 분야에서 파급 효과가 있을 것으로 전망된다. 이 연구는 호주 모나쉬대), 미국 로렌스버클리국립연구소와 공동으로 진행됐다.
나노 입자는 수십에서 수백 개의 원자로 이루어진 1나노미터 이하의 물질로 차세대 디스플레이, 연료전지 촉매, MRI 조영제 등 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있다. 특히, 나노 입자는 원자 배열의 미세한 변형에도 디스플레이 색 순도를 향상시키거나 연료전지의 촉매 성능을 개선시킬 수 있어 구조를 면밀히 파악하는 것이 중요하다.
지금까지는 나노 입자의 크기나 전체적 형상 등 2차원 정보만 관찰 가능할 뿐, 나노 입자의 원자 배열 등 3차원 정보 확인은 불가능했다. 박정원 교수 연구팀은 나노 입자가 액체 상태에서 자발적으로 회전하는 현상에 주목해 회전하는 나노 입자를 연속으로 촬영할 수 있는 특수 용기인 액체 셀(Liquid Cell)과 3차원 데이터 구성을 위한 빅데이터 알고리듬(algorithm)을 자체 개발했다.
이를 이용해 액체 셀에 나노 입자를 담아 투과전자현미경으로 초당 400장의 이미지를 촬영해 얻은 서로 다른 2차원 평면 이미지를 빅데이터 알고리듬을 이용해 3차원 데이터로 재구성했다. 박정원 교수 연구팀은 나노 입자의 3차원 구조를 0.02나노미터의 정확도로 분석할 수 있는 분석 기법을 세계 최초로 개발했고 백금(Pt)을 이용해 나노 입자의 3차원 원자 배열을 확인했다.
박정원 교수 연구팀은 이번 연구를 통해 나노 입자의 물리·화학적 특성을 결정짓는 나노 입자의 표면 구조 상태와 변화 요인을 규명했다. 연구 결과는 QD디스플레이의 색 순도와 휘도 향상, 석유화학 산업과 연료전지 등에서 사용되고 있는 촉매의 성능 개선, 단백질 구조 분석을 통한 신약 개발 등 다양한 분야에서 파급 효과가 있을 것으로 전망된다.
박 교수는 “이번 연구에서 제시한 방법을 활용하면 수많은 종류의 나노 입자 구조를 원자 수준에서 분석할 수 있다”며 “나노 입자의 3차원 구조 분석 기술은 나노 입자뿐 아니라 단백질과 같은 생체 분자에도 적용이 가능해 새로운 융합 연구에도 활용이 기대된다”고 말했다. 박정원 교수 연구팀의 이번 연구는 2018년 삼성미래육성사업의 과제로 선정돼 연구 지원을 받았다.
강주화 기자 rula@kmib.co.kr
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