“나노입자 구조, 원자 하나까지 본다”…0.02nm급 분석기술 개발

송현수 기자 songh@busan.com
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IBS 나노입자연구단·호주·미국 연구팀, '사이언스' 표지논문 게재
박정원 교수 "단백질 등 생체분자 적용 가능…새 융합연구에 활용 기대"

기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 박정원 연구위원(서울대 화학생물공학부 교수)은 3일 호주 모나쉬대, 미국 로런스버클리국립연구소(LBNL) 연구팀과 함께 나노입자의 '3차원 증명사진'을 촬영할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.이번 연구를 이끈 IBS 나노입자 연구단 연구진(뒷줄 맨 오른쪽 박정원 IBS 나노입자 연구단 연구위원 겸 공동 교신저자). IBS 제공 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 박정원 연구위원(서울대 화학생물공학부 교수)은 3일 호주 모나쉬대, 미국 로런스버클리국립연구소(LBNL) 연구팀과 함께 나노입자의 '3차원 증명사진'을 촬영할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.이번 연구를 이끈 IBS 나노입자 연구단 연구진(뒷줄 맨 오른쪽 박정원 IBS 나노입자 연구단 연구위원 겸 공동 교신저자). IBS 제공

한국·호주·미국 공동연구진이 나노입자의 구조를 구성 원자 하나하나까지 0.02nm(나노미터=10억분의1 m) 정밀도로 분석해낼 수 있는 기술을 개발했다.

기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 박정원 연구위원(서울대 화학생물공학부 교수)은 3일 호주 모나쉬대, 미국 로런스버클리국립연구소(LBNL) 연구팀과 함께 나노입자의 '3차원 증명사진'을 촬영할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.

백금 나노입자의 3차원 증명 사진. IBS 제공 백금 나노입자의 3차원 증명 사진. IBS 제공

개별 나노입자의 3차원 증명사진 촬영 과정. IBS 제공 개별 나노입자의 3차원 증명사진 촬영 과정. IBS 제공

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

나노입자는 수십~수백개의 원자로 이루어진 크기 1nm 이하의 물질로 차세대 디스플레이, 연료전지 촉매, MRI 조영제 등 다양한 산업 분야에서 사용된다. 특히 나노입자는 원자배열의 미세한 변형으로 디스플레이 색 순도를 향상하거나 연료전지 촉매 성능을 개선할 수 있어 구조를 면밀히 파악하는 게 중요하다.

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.

그래핀 액체 셀에 담긴 백금 나노입자의 모습. IBS 제공 그래핀 액체 셀에 담긴 백금 나노입자의 모습. IBS 제공

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.

연구팀은 이 연구 결과는 '퀀텀닷'(QD) 디스플레이의 색 순도와 휘도 향상, 석유화학 산업과 연료전지 등에 사용되는 촉매의 성능 개선, 단백질 구조 분석을 통한 신약 개발 등 다양한 분야에 영향을 줄 수 있을 것이라고 전망했다.

박정원 교수는 "이 연구에서 제시한 방법을 활용하면 수많은 종류의 나노입자 구조를 원자 수준에서 분석할 수 있다"며 "나노입자뿐만 아니라 단백질 같은 생체 분자에도 적용이 가능해 새로운 융합 연구에도 활용이 기대된다"고 말했다.

송현수 기자 songh@busan.com


송현수 기자 songh@busan.com

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