서울대 연구진, 개별 나노입자 3D 구조 포착 성공

[이데일리 한광범 기자] 서울대 공대는 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 연구위원이자 서울대 화학생물공학부 교수인 박정원 교수 연구팀이 호주 모나시대, 미국 로렌스버클리국립연구소와 함께 개별 나노입자의 3차원 구조를 원자 수준에서 포착하는 데 성공했다고 21일 밝혔다.

기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구진. (사진=서울대)

서울대 김병효 연구원은 “액상 투과전자현미경(TEM)을 통해 실제 3차원 원자배열구조를 관찰할 수 있는 분석기법을 개발함으로써, 가장 작은 원소인 수소보다 1/6 작은 수준인 0.02㎚ 정확도로 나노입자를 관찰했다”며 “이번 연구에서 제시한 방법을 활용하면 추측만 해오던 나노입자 정밀구조를 원자 수준에서 직접 관찰하고 다양한 나노입자 성능 향상에 기여할 수 있다”고 강조했다.

나노입자 원자 배열이 미세하게 바뀌면 촉매의 활성이 저하되거나 디스플레이의 색 순도가 바뀌는 등 물성이 달라져, 고성능 나노소재를 설계·합성을 위해선 구조를 제대로 파악하는 것이 중요하다. 그러나 지금까지 나노입자의 전체적 형상만 관찰할 뿐, 원자 배열을 입체적으로 관찰할 수 있는 방법이 없었다.

이에 연구진은 나노입자가 녹아있는 극미량의 용액을 담을 수 있는 특수용기인 액체 셀(Liquid Cell)을 자체 개발한 뒤 액상 투과전자 현미경을 이용해 나노입자를 관찰했다. 액상 투과전자현미경은 용액 내에서 회전하는 나노입자를 관찰하며 초당 400장의 이미지를 촬영한다.

백금 나노입자 3차원 증명사진 촬영 이미지. (서울대 제공)

연구진은 개별 나노입자의 위치를 추적하며 촬영된 수천 장의 이미지를 3차원으로 재구성하는 자체 개발 알고리즘으로 처리해 정밀한 입체구조를 얻었다. 그렇게 용액 상에서 합성된 백금(Pt) 나노입자의 3차원 원자 배열을 관찰한 결과 동일한 조건에서 만들어진 나노입자라 하더라도 원자 수준에서는 배열 등 구조가 제각각 다르다는 점을 확인했다.

이번 연구로 나노소재의 물리·화학적 특성을 결정하는 표면 구조를 직접 관찰하고 표면 구조에 영향을 미치는 요인을 분석해냈다. 향후 촉매의 성능 개선, 디스플레이의 색 순도 향상 등 다양한 응용 분야에 파급 효과가 있을 것으로 기대된다.

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

이번 연구 성과는 세계 최고 권위의 학술지 사이언스(Science, IF 41.037) 4월 3일자 표지논문으로 게재됐다. 연구는 IBS와 삼성미래기술육성재단 및 연구재단의 수소에너지혁신기술개발사업, 선도연구센터사업, 신진연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다.