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

연구진은 액상 투과전자현미경(liquid cell TEM)을 이용해 가장 작은 원소인 수소보다 1/6 작은 수준의 정확도로 나노입자를 관찰했다. 액상 투과전자현미경은 나노입자가 존재하는 환경인 액체에서 전자를 이용해 이미지를 얻는 방법으로 나노입자의 구조 및 변화를 관찰(나노미터 해상도)할 수 있다.

과학기술정보통신부와 IBS는 이번 성과가 세계 최고 권위의 학술지 사이언스(Science, IF 41.037) 4월 3일자 표지논문으로 게재됐다고 밝혔다.

최근 컴퓨터 시뮬레이션과 인공지능을 이용해 물질의 성질을 예측하는 것이 미래 소재 개발의 중요한 방법론으로 대두되고 있다. 이 시뮬레이션의 정확성을 좌우하는 것이 바로 3차원 원자위치이다.

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.

이번 연구에서 제시한 나노입자의 3차원 원자 위치를 정확히 규명하는 방법을 활용하면 향후 인공지능을 이용한 신소재 개발이 가능해질 것으로 기대된다. 또한 단백질과 같은 생체 분자에도 적용이 가능하다. 단백질 구조 분석을 통한 신약 개발 및 생명 현상의 신비 규명 등 생물 의학 분야에도 응용돼 새로운 융합 연구를 통해 과학기술 분야의 난제를 해결해나갈 것으로 기대된다.

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.

그래핀 액체 셀에 담긴 백금 나노입자. 연구진은 액상 투과전자현미경을 이용한 관찰을 위해 그래픽 기반 액체 셀을 개발했다. 위 이미지는 2.5nm(A)와 4.0nm(B)의 백금 나노입자를 관찰한 모습으로 붉은 점은 산소, 회색은 수소, 검은색은 탄소, 노란색은 백금을 의미한다.

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 되었다. 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”며 “촉매, 디스플레이, 신약 개발 등 광범위한 과학기술 분야에서 나노재료의 설계 및 합성에 중요한 단서를 제시한 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 기초과학연구원(IBS)와 삼성미래기술육성재단의 지원을 받아 수행됐다.