개별 나노입자 '3D 증명사진' 촬영...원자 수준 결함도 확인

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 해외 연구진과 함께 추측만 해오던 나노입자의 정밀구조를 원자 수준에서 직접 관찰했다.

동일한 조건에서 합성된 나노입자라 하더라도 원자 수준에서 구조가 달라 물성에 차이가 있었던 부분을 개선해 신약 개발, 촉매 성능 개선, 디스플레이 색 순도 향상에 활용할 수 있게 될 전망이다.

백금 나노입자의 3차원 사진.<사진=기초과학연구원>

기초과학연구원(IBS)은 박정원 나노입자연구단 연구위원 연구팀이 호주 모나쉬대, 미국 로렌스버클리국립연구소 연구팀과 0.02나노미터까지 관찰할 수 있는 분석기법을 개발하고, 개별 나노입자의 3차원 구조를 원자 수준에서 포착했다고 3일 밝혔다.

높은 성능을 갖춘 나노소재를 설계·합성하기 위해서는 물질의 구조를 제대로 파악해야 한다. 나노입자의 원자 배열이 미세하게 바뀌면 촉매의 활성이 저하되거나, 디스플레이의 색 순도가 바뀌는 등 물성이 달라지기 때문이다.

하지만 지금까지 나노 입자의 전체 형상만 관찰할 수 있었고, 원자 배열을 입체적으로 관찰할 방법이 없었다.

연구진은 나노입자가 녹아있는 극미량의 용액을 담을 수 있는 특수용기인 액체 셀을 자체 개발하고, 액상 투과전자 현미경을 이용해 나노입자를 관찰했다.

액상 투과전자현미경은 용액 내에서 회전하는 나노입자를 관찰하며 초당 400장의 이미지를 촬영했다. 연구진은 개별 나노입자의 위치를 추적하며 촬영한 수천 장의 이미지를 알고리즘으로 3차원으로 재구성해 정밀한 입체구조를 얻었다.

이후 용액 상에서 합성된 백금 나노입자의 3차원 원자 배열을 관찰하고, 동일 조건에서 만들어진 나노입자라 하더라도 원자 수준에서는 배열 등 구조가 각각 다른 것을 확인했다.

박정원 연구위원은 “인공지능으로 물질의 성질을 예측하고, 합성하는 것이 미래 소재 개발의 중요한 방법론으로 대두되고 있다”며 “촉매, 디스플레이, 신약 개발 등 과학기술 분야에서 나노재료의 설계와 합성에 중요한 단서를 제시한 것”이라고 말했다.

연구는 국제 학술지 ‘사이언스(Science)’에 3일자 표지논문으로 게재됐다.