삼성미래기술육성사업이 지원한 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 박정원 연구위원(서울대 교수) 연구팀이 0.02나노미터까지 관찰할 수 있는 분석기법을 개발하여, 개별 나노입자의 3차원 구조를 원자 수준에서 포착하는 데 성공했다고 3일 밝혔다.

이번 성과로 세계 최고 권위의 학술지 사이언스에 표지논문으로 게재까지 되었는데, 학계에서 난제로 여겨졌던 나노 입자의 표면 구조와 변화 요인을 규명한 성과를 인정받은 결과이다. 이번 연구 성과로 인해 디스플레이, 연료전지, 신약 개발 등 다양한 과학 기술 분야에서 파급 효과가 있을 것으로 전망된다.

고성능의 나노소재를 설계‧합성하기 위해서는 구조를 제대로 파악하는 것이 중요한데, 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 방법이 없었다.

박정원 교수 연구팀은 나노입자가 녹아있는 극미량의 용액을 담을 수 있는 특수용기인 액체 셀을 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 처리하여 정밀한 입체구조를 얻을 수 있었다고 전했다.

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

박정원 연구위원은 "이번 연구에서 제시한 방법을 활용하면 수많은 종류의 나노 입자 구조를 원자 수준에서 분석할 수 있다"며 "나노 입자의 3차원 구조 분석 기술은 나노 입자뿐 아니라 단백질과 같은 생체 분자에도 적용이 가능해 새로운 융합 연구에도 활용이 기대된다"고 전했다.

박정원 서울대 교수 연구팀의 이번 연구는 2018년 삼성미래육성사업의 과제로 선정돼 연구 지원을 받고 있으며, 기초과학연구원 연구단 지원 사업의 지원도 받아 수행됐다.