개별 나노입자의 3차원 구조를 원자 수준에서 포착하는데 성공한 IBS 나노입자 연구단 연구진의 모습(과기정통부 제공)

나노입자의 전체 형상뿐만 아니라 개별 나노입자의 3차원 구조를 원자 수준에서 포착하는 데 성공해 3D 증명사진을 촬영할 수 있는 기술이 개발될 것으로 보인다.

6일 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단의 박정원 연구위원 연구팀은 호주 모나쉬대, 미국 로렌스버클리국립연구소와 함께 0.02nm까지 관찰할 수 있는 분석기법을 개발해 개별 나노입자의 3차원 구조를 원자 수준에서 포착하는데 성공했다.

과기정통부와 IBS는 이번 성과가 세계 최고 권위의 학술지 사이언스 지난 3일자 표지논문으로 게재됐다며 이같이 밝혔다. 고성능의 나노소재를 설계·합성하기 위해서는 구조를 제대로 파악하는 것이 중요하다.

나노입자의 원자 배열이 미세하게 바뀌면 촉매의 활성이 저하되거나, 디스플레이의 색 순도가 바뀌는 등 물성이 달라진다.

하지만 지금까지는 나노입자의 전체적 형상만 관찰할 뿐, 원자 배열을 입체적으로 관찰할 수 있는 방법이 없었다.

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. 이후 연구진은 개별 나노입자의 위치를 추적하며, 촬영된 수천 장의 이미지를 3차원으로 재구성하는 알고리즘으로 처리해 정밀한 입체구조를 얻었다.

이를 통해 용액 상에서 합성된 백금(Pt) 나노입자의 3차원 원자 배열을 관찰했다. 동일한 조건에서 만들어진 나노입자라 하더라도 원자 수준에서는 배열 등 구조가 제각각 다름을 확인했다.

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

김병효 연구위원은 “이번 연구에서 제시한 방법을 활용하면 추측만 해오던 나노입자의 정밀구조를 원자 수준에서 직접 관찰하고, 다양한 나노입자의 성능 향상에 기여할 수 있다”고 말했다.

박정원 연구위원은 “인공지능으로 물질의 성질을 예측하고, 합성하는 것이 미래 소재 개발의 중요한 방법론으로 대두되고 있다”면서 “촉매, 디스플레이, 신약 개발 등 광범위한 과학기술 분야에서 나노재료의 설계 및 합성에 중요한 단서를 제시한 것”이라고 설명했다./여한식 기자