IBS 연구팀, 0.02nm급 분석기술 최초 개발.. 나노입자 구조·원자까지 본다

3일 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 박정원 연구위원(서울대 화학생물공학부 교수)은 호주 모나쉬대, 미국 로런스버클리국립연구소(LBNL) 연구팀과 함께 나노입자의 구조를 구성 원자 하나하나까지 0.02nm(나노미터=10억분의1 m) 정밀도로 분석해낼 수 있는 '3차원 증명사진'을 촬영할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.

나노 입자는 수십에서 수백 개의 원자로 이루어진 1nm 이하의 물질이다. 차세대 디스플레이, 연료전지 촉매, 자가공명영상(MRI) 조영제 등에 활용된다. 나노 입자는 원자 배열의 미세한 변형에도 디스플레이 색 순도 향상 및 연료전지의 촉매 성능 개선이 가능해, 구조의 면밀한 파악이 핵심이다.

그러나 지금까지는 나노입자의 전체적 형상만 관찰할 뿐 원자 배열을 입체적으로 관찰할 수 있는 방법이 없었다. 연구팀은 이 연구에서 그래핀을 이용해 나노입자를 액체 속에 정밀하게 담을 수 있는 '액체 셀'(Liquid Cell)을 만들고, 초고해상도 액상 투과전자현미경(TEM)으로 액체 셀 안에서 회전하는 나노입자를 초당 400장의 속도로 촬영했다.

이어 촬영한 수천장의 2차원 이미지 빅데이터를 확률적으로 분석하는 알고리즘과 개별 나노입자를 추적할 수 있는 알고리즘을 개발해 나노입자의 3차원 원자 배열을 재구성, 정밀한 입체구조를 얻고 나노입자를 이루는 원자들을 0.02㎚ 정밀도로 분석하는 데 성공했다.

연구팀이 액체 셀에 백금(Pt) 나노입자를 넣어 3차원 원자배열을 관찰한 결과, 동일한 조건에서 만들어진 백금 나노입자라 하더라도 원자 수준에서는 배열 등 구조가 제각각 다른 것으로 나타났다.

이번에 개발된 기술은 디스플레이, 연료전지, 신약 개발 등 과학 분야에서의 파급 효과를 기대할 수 있다. 퀀텀닷(QD)디스플레이 색 순도와 휘도 향상, 석유화학 산업과 연료전지 등에서 사용되는 촉매 성능 개선, 단백질 구조 분석을 통한 신약 개발 등이 대상이다.

한편, IBS와 삼성미래기술육성재단 지원으로 수행된 이 연구 결과는 과학저널 '사이언스'(Science) 3일자에 표지논문으로 게재됐다.


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