- 0.02nm 해상도 초고속카메라로 찍고, AI로 입체 구조 파악
- 나노소재의 성능 향상 기대
기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 박정원 연구위원(서울대 화학생물공학부 교수) 연구팀은 호주 모나쉬대, 미국 로렌스버클리국립연구소와 함께 0.02nm까지 관찰할 수 있는 분석기법을 개발하여, 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 투과전자현미경(TEM)은 나노입자가 존재하는 환경인 액체에서 전자를 이용해 이미지를 얻는 방법으로 나노입자의 구조 및 변화를 관찰(나노미터 해상도)
과학기술정보통신부(장관 최기영)와 IBS(원장 노도영)는 이번 성과가 세계 최고 권위의 학술지 사이언스(Science, IF 41.037) 4월 3일자 표지논문으로 게재되었다고 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 처리하여 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 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 말했다.
이번 연구는 기초과학연구원(IBS)와 삼성미래기술육성재단의 지원을 받아 수행되었다.
논문 정보
□ 논문명
◦ Critical differences in 3D atomic structure of individual ligand -protected nanocrystals in solution
□ 저자
◦김병효(공동 제1저자, IBS/서울대), 허준영(공동 제1저자, IBS/서울대), 김성인(IBS/서울대), Cyril F. Reboul(Monash Univ.), 전호제(연세대), 강도훈(IBS/서울대), 배현후(건국대), 현혜정(서울대), 임종우(서울대), 이훈경(건국대), 한병찬(연세대), 현택환(IBS/서울대), A. Paul Alivisatos(UC Berkeley/LBNL/Kavli ENSI), Peter Ercius(공동교신저자, LBNL), Hans Elmlund(공동교신저자, Monash Univ.), 박정원(공동교신저자, IBS/서울대)
연구 이야기
□ 개별 나노입자의 3차원 구조를 왜 파악해야 하는가?
물질의 구조와 물성은 매우 밀접한 관련이 있다. 가령, 금 나노입자의 경우 표면 원자들의 위치가 조금씩 변해도 촉매 성질이 크게 차이난다는 보고가 있다. 디스플레이의 경우 나노입자의 원자 배열에 따라 색 순도가 바뀐다. 이처럼 원하는 물성을 갖춘 나노소재를 설계하고 합성하는데 있어 나노입자의 정밀한 구조를 파악하는 것은 매우 중요하다. 나노입자의 경우 합성 과정에서 발생하는 여러 변수로 인해 비균질성을 가져, 개별 나노입자 마다 구조와 물성이 각각 다를 것으로 추정된다. 하지만 지금까지 나노 입자의 전체적인 형상만 관찰할 수 있을 뿐, 표면과 내부의 원자 배열까지 입체적으로 관찰할 수는 없었다.
□ 액상 투과전자현미경(TEM)이란 무엇이며, 왜 이번 분석에 필요한가?
투과전자현미경(TEM‧Transmission electron microscopy)은 매우 짧은 파장을 가지는 전자를 이용하여 물질의 이미지를 얻는 방법이다. 광학현미경보다 훨씬 우수한 나노미터 미만의 분해능을 가진다. TEM을 이용하면 나노입자의 형태와 결정 구조 등을 파악할 수 있지만 진공 상태에서 측정해야 한다는 한계가 있다. 진공상태는 실제로 나노입자가 존재하는 환경인 액체 내에서 나노입자의 구조 및 변화를 관찰하기 어려울뿐더러 나노입자의 형태와 구조를 변형시킬 가능성이 있다. 이런 한계를 극복하기 위해 등장한 액상 투과전자현미경(Liquid cell TEM)은 액체 상태의 시료를 ‘액체 셀(Liquid Cell)’에 밀봉하여 시료가 증발되지 않도록 유지하며 측정하는 원리다.
□ 어떻게 3차원 정밀 구조를 얻었나?
우선 연구진은 액체 상태의 시료를 정밀하게 담지할 수 있는 그래핀 기반 ‘액체 셀’을 제작했다. 액체 셀은 시료가 외부와의 물질 교환이 차단되도록 밀봉하는 역할을 한다. 전자의 산란을 최소화하기 위해 최대한 얇게 만들어야 하는데, 두께가 1nm 수준에 불과하며 기계적 물성이 우수한 그래핀이 최적의 재료다. 연구진은 두 그래핀 사이에 액체 시료를 담고, 반데르발스 상호작용으로 두 그래핀을 접착시켜 밀봉했다. 유연한 그래핀은 시료로 인해 자연스럽게 휘어져 액체 셀은 사탕처럼 가운데가 볼록 튀어나온 구조를 갖게 된다.
연구진은 백금 나노입자가 녹아있는 물을 그래핀 액체 셀에 넣고, 초고해상도 투과전자현미경으로 용액 내에서 회전하는 나노입자를 관찰했다. 액상 TEM은 1000분의 1초라는 빠른 속도로 시료를 촬영하고, 각 나노입자의 구조 정보를 포함하는 수백GB~수TB의 대용량의 데이터를 제공한다.
그 후, 2차원 이미지를 3차원 구조로 재구성하기 위해 연구진은 이미지 빅데이터를 확률적으로 분석하는 알고리즘과 개별 나노입자를 추적할 수 있는 알고리즘을 활용했다. 이를 통해 나노입자의 3차원 원자 배열을 관찰한 결과, 동일한 조건에서 합성된 나노입자라 하더라도 원자 수준에서의 구조는 제각각 다르다는 점을 확인했다.
□ 이번 연구의 의미와 향후 응용 방안
최근 컴퓨터 시뮬레이션과 인공지능을 이용해 물질의 성질을 예측하는 것이 미래 소재 개발의 중요한 방법론으로 대두되고 있다. 이 시뮬레이션의 정확성을 좌우하는 것이 바로 3차원 원자위치이다. 이번 연구에서 제시한 나노입자의 3차원 원자 위치를 정확히 규명하는 방법을 활용하면 향후 인공지능을 이용한 신소재 개발이 가능해질 것으로 기대된다. 특히, 수소자동차의 엔진으로 사용되는 연료전지, 태양열을 이용하는 화학반응기 등에 사용되는 신소재 촉매의 개발을 가속화할 수 있을 것으로 보인다.
또한 이 3차원 원자위치 분석 연구는 나노입자 뿐 아니라, 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.
용어 설명
1. 사이언스(Science) 誌
자연과학 분야 세계최고 권위 학술지(Impact Factor : 41.037)
2. 액상 투과전자현미경(Liquid cell TEM)
투과전자현미경은 전자를 이용해 물질을 확대해 관찰하는 현미경으로, 일반 현미경보다 훨씬 좋은 해상도를 가진다. 일반적으로 투과전자현미경은 진공 상태에서 샘플을 이미징하기 때문에 액체 상태의 시료를 측정할 수 없다. 이 한계를 극복하기 위해 특수 제작된 액체 셀에 액체를 담고, 이를 투과전자현미경으로 관찰하는 기법을 액상 투과전자현미경이라고 한다.
3. 액체 셀(Liquid Cell)
투과전자현미경으로 액체 시료를 측정하기 위해 특별하게 제작된 매우 작은 용기. 극미량의 액체를 담고 밀봉하여 고진공에서도 액체의 증발을 막을 수 있는 구조로 되어있다. 주로 질화규소나 그래핀이 액체 셀의 재료로 사용된다.
그림 설명
IBS 나노입자 연구단과 미국 로렌스 버클리 국립연구소, 호주 모나쉬대 등 국제공동연구진은 액상 투과전자현미경(Liquid cell TEM) 기술을 이용해 개별 나노입자의 3차원 증명사진을 촬영했다.
연구진은 백금(Pt) 나노입자를 자체 개발한 그래핀 액체 셀에 담은 뒤, 액상 투과전자현미경으로 개별 나노입자의 3차원 증명사진을 촬영했다.
액상 투과전자현미경을 액체 안에서 나노입자는 자유롭게 회전하는 나노입자를 확대한 후 고속 카메라로 촬영한다. 이후 다양한 각도에서 얻은 수천 장의 나노입자의 사진을 3차원 재구성 알고리듬을 이용해 복구하면 원래 나노입자의 3차원 원자 구조를 얻을 수 있다.
연구진은 동일한 조건에서 합성한 나노입자라도 원자 수준에서는 구조적 차이가 존재함을 규명했다. 두 이미지는 모두 백금 나노입자의 ‘3D 증명사진’을 촬영한 것으로 원자가 전체적으로 잘 정렬된 왼쪽(위) 나노입자와 달리, 오른쪽(아래) 나노입자는 내부에 결함이 있는 결정 구조를 가지는 것을 확인할 수 있다. 이후 연구진은 변형의 정도를 계산한 결과, 두 결정의 계면에서 변형율이 커지는 것을 확인했다.
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.
연구자 이력사항
박정원 IBS 나노입자 연구단 연구위원, 공동 교신저자
1. 인적사항
○ 소 속 : 기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단 연구위원
서울대학교 화학생물공학부 교수
○ 전 화 : 02-880-2259
○ E-mail : jungwonpark@snu.ac.kr
2. 학력
○ 박사: 2012, University of California, Berkeley, 화학과
○ 학사: 2003, 포항공과대학교, 화학과
3. 주요 경력사항
○ 2016 - 현재, 서울대학교 공과대학 화학생물공학부, 조교수
○ 2015 - 2016, Harvard University, School of Engineering and Applied Sciences, Research Associate
○ 2012 - 2015, Harvard University, School of Engineering and Applied Sciences, 박사후연구원
김병효 IBS 나노입자 연구단 연구위원, 제1저자
1. 인적사항
○ 소 속 : 기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단 연구위원
서울대학교 화학생물공학부 선임연구원
○ 전 화 : 02-880-1582
○ E-mail : byunghyokim@snu.ac.kr
2. 학력
○ 2001 – 2006 학사, 서울대학교 화학생물공학부
○ 2006 – 2013 박사, 서울대학교 화학생물공학부
3. 주요 경력사항
○ 2014 – 2016 박사후연구원, University of Texas at Austin
○ 2016 – 현재 선임연구원, 기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단
현택환 IBS 나노입자 연구단 단장, 공동저자
1. 인적사항
○ 소 속 : 기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단 단장
서울대학교 석좌교수, 화학생물공학부 교수
○ 전 화 : 02-880-7150
○ E-mail : thyeon@snu.ac.kr
2. 학력
○ 1983 – 1987 학사, 서울대학교 화학과
○ 1987 – 1989 석사, 서울대학교 화학과
○ 1991 – 1996 박사, University of Illinois at Urbana Champaign
3. 경력사항
○ 1997 – 현재 서울대학교 공과대학 화학생물공학부 교수, 부교수, 조교수
○ 2002 – 2011 과학기술부 창의적연구진흥사업 산화물 나노결정 연구단장
○ 2010 – 현재 미국화학회지(JACS) 부편집장
○ 2017 – 현재 서울대학교 석좌교수
○ 2012 – 현재 기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단 단장
○ 2013 – 현재 미국재료연구학회(MRS) 석학회원(Fellow)
4. 주요 수상 경력
○ 2016 대한민국 최고과학기술인상(대통령상)
○ 2012 호암공학상
○ 2016 국제진공과학기술응용연합(IUVSTA) 기술상
○ 2008 POSCO 청암과학상
○ 2011 세계 100대 화학자 선정(UNESCO&IUPAC 화학분야 37위, 재료과학분야 19위)
○ 2002 젊은과학자상(대통령상), 이달의 과학기술자상(과기부장관상)
