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'백금 결정'에 해당되는 글 1

  1. 2012.04.06 냉동인간 깨우는 근본 기술, 액체를 원자단위까지 분석(2)
2012. 4. 6. 03:00 대덕밸리과학소식/KAIST

현재 미국에는 미래 과학기술이 자신을 살릴 것이라 믿으며 냉동상태로 보관되고 있는 사람(시신)이 100명이 넘는다고 합니다.

냉동인간은 시신의 체내에서 피를 모두 빼고 대신 동결보호제를 주입한 뒤 액체질소를 채운 영하 196℃의 금속용기 안에 보관하는 것입니다.

현재까지는 이 같은 방식으로 보존만 할 뿐 다시 소생시킬 수 있는 기술은 없습니다.

냉동인간의 해동과정에서 얼음이 재결정화면서 세포의 파괴가 진행되는데 현재 기술로는 이를 해결할 방법이 없습니다.

그러나 이 때 진행되는 현상을 분석해 결빙현상을 막아주는 해동기술에 적용하면 한가닥 가능성이 생기는 셈인데, 이를 연구하려면 액체 상태에서 원자분석이 가능해야 합니다.

여기에 이용되는 것이 투과전자현미경인데, 아직까지 액체를 원자단위로 연구할 방법은 없었습니다.

■ 투과전자현미경은 0.004nm에 불과한 아주 짧은 파장의 전자빔을 이용하기 때문에 가시광선을 이용하는 광학현미경 보다 약 1000배 높은 분해능을 갖고 있습니다.

따라서 계면의 결정구조와 격자결함 등 원자단위까지 분석이 가능해 최근 다양한 종류의 차세대 신소재 연구에 필수적인 장비로 사용되고 있습니다.

그러나 투과전자현미경은 0.001~0.00001 기압(atm)의 고진공상태에서 사용하기 때문에 액체를 관찰하려해도 고정이 되지 않고 즉시 공중으로 분해되기 때문에 관찰이 불가능합니다.

게다가 투과전자현미경의 원리상 전자빔이 수백 나노미터 이하의 시편을 투과해야 되는데 액체를 그만큼 얇게 만드는 것도 매우 어렵습니다.

KAIST 신소재공학과 이정용 교수팀은 꿈의 신소재인 그래핀을 이용해 수백 나노미터 두께로 액체를 가두는 데 성공했습니다

과학계의 오랜 숙원으로 꼽히던 액체를 원자단위까지 관찰하고 분석하는 기술이 세계 최초로 개발된 것입니다.

탄소원자들이 육각 벌집모양의 한 층으로 형성된 그래핀은 두께가 0.34nm로, 지금까지 합성할 수 있는 물질 중 가장 얇은 물질입니다.

그래핀으로 나노미터 크기의 결정이 담긴 액체를 감싸면 투과전자현미경 안에서 그래핀이 투명하게 보이며, 또한 액체를 감싸고 있는 그래핀은 강도가 매우 뛰어나 고진공 환경에서도 액체를 고정시킬 수 있습니다.

즉 투명한 유리 어항에 담긴 물속의 물고기들을 눈으로 볼 수 있는 것처럼 투명한 그래핀을 이용해 액체를 담아 그 속에 있는 결정들을 원자단위에서 관찰 할 수 있는 원리입니다.

그래핀 두 층으로 이루어진 그래핀 액체 용기를 보여주는 모식도이다. 회색으로 보여지는 그래핀이 위아래로 두층이 있고 그 사이에 백금 원자들을 포함한 유기 용액의 액체가 담겨있다.

연구팀은 이를 이용해 세계 최초로 액체 안에서 원자단위로 백금 결정들이 초기 형성되는 것과 성장과정을 관찰하는 데 성공했습니다.

가장 왼쪽의 녹색 모식도는 두 개의 백금 결정들이 서로 결합하는 것을 보여준다. 이것을 실제 투과전자현미경 안에서 두 개의 백금 결정들을 원자 단위에서 관찰한 것이 두 번째 사진이다. 화살표로 표시된 것이 두 개의 백금 결정들이다. 현재 백금 결정들은 액체 안에 담겨 있는 상태이다. 오른쪽으로 갈수록 시간이 지남에 따라 두 개의 백금 결정들이 하나로 합쳐지면서 그 모양이 육각형으로 변해가는 것을 볼 수 있다. 이 투과전자현미경 사진에서 백금들 안에 하얀 점들은 원자가 아니고 원자의 규칙을 보여주는 격자 사진이다. 이 격자 사진의 하얀 점들은 원자와 1대 1로 매칭할 수 있다. 즉, 이것은 원자 단위에서 관찰된 것이다.


이 기술은 액체가 고체로 결정화되는 메카니즘을 확인할 수 있어 나노 크기의 재료 제조나 전지 내에서 전해질과 전극 사이의 반응, 액체 내에서의 각종 촉매 반응, 혈액 속 바이러스 분석, 몸속 결석의 형성과정 등 다양한 분야에 활용될 전망입니다.

이번 연구는 이정용 교수의 지도아래 육종민 박사(제1저자)가 박사학위 논문으로 미국 UC버클리대 알리비사토스 교수, 및 제틀 교수와 공동으로 수행됐습니다.

연구결과는 세계적 학술지 '사이언스(Science)' 4월호(6일자)에 게재됐습니다.

 

그래핀 액체 용기 안에서 백금 원자들을 포함한 액체에 투과전자현미경을 이용해 전자 빔을 조사하였을 때 백금 결정들이 자라나는 것을 역동적인 모식도로 표현한 것

 

 용  어  설  명

투과전자현미경 :
고진공 하에서 아주 얇은 시편을 전자 빔을 이용해 원자 단위로 확대하여 볼 수 있는 장비

그래핀 :
육각의 벌집구조로 결합한 탄소가 연속적으로 연결되어 탄소 원자 한 층의 두께를 가진 2차원의 평판 모양을 이룬 탄소소재

광식각 기술 :
빛에 민감한 고분자를 이용하여 미세한 패턴을 형성하는 반도체용 미세형상 제작 기술

결정구조 :
물질을 구성하고 있는 원자가 공간 내에서 규칙적으로 배열되어 결정을 이루는 구조다.

격자결함 :
결정체 속에서 결정격자가 불완전한 상태인 것을 말한다. 실제로 결정은 여러 이유로 원자가 결여되어 있거나 원자의 배열이 흐트러져 있다. 이는 물질의 열전도도나 전기전도도, 재료의 강도에 큰 영향을 끼친다.

계면 :
기체상, 액체상, 고체상 등의 3상 중 인접한 2개의 상(相)사이의 경계면이다. 흡착이나 분자의 배향 등, 특유한 현상이 나타난다.

재결정 :
온도에 따른 용해도 차이를 이용해 원하는 용질을 다시 결정화시키는 방법.

<보 충 설 명>

그동안 과학자들은 투과전자현미경으로 액체를 관찰하기 위해 산화규소나 질화규소 기판을 광식각 패턴기술을 통해 액체를 담을 수 있는 용기를 만들었다.
그리고 그 용기 안에 결정들이 포함된 액체를 담아 결정들의 성장이나 거동을 관찰하려고 노력해 왔다.

그러나 규소화합물 기판들은 상대적으로 중원소일 뿐만 아니라 그 두께가 두꺼워 투과전자현미경 안에서 전자빔과 기판의 상호작용으로 인해 액체 속 결정들의 원자단위 분석이 어려웠다.

한편 투과전자현미경을 이용한 생물체 연구의 경우에는 살아있는 생물을 그대로 관찰할 수 없었기 때문에 일정한 단계를 거쳐 조직이나 세포의 구조와 내용물을 살아있을 때의 상태대로 보존하면서 죽여 생물 시료를 만들었다.

그러나 이는 죽은 상태이기 때문에 생물체의 메카니즘을 확인할 수는 없었다. 또한 고정->탈수->매몰->절편제작->염색 등의 과정을 거쳐 관찰하는 것은 매우 복잡하다.


<이정용 교수>

1. 인적사항
○ 소  속 : KAIST 공과대학 신소재공학과

2. 학    력
○ 서울대학교 재료공학과 학사 1974
○ KAIST 재료공학과 석사 1976
○ U. C. Berkeley 재료공학과 박사 1986

3. 경력사항
○ 1986. 7.~현재 KAIST 교수
○ 1981. 10.~1986. 7. 미국 Lawrence Berkeley Laboratory 연구조교
○ 1976. 1.~1981. 8. 금성사/금성정밀공업 중앙연구소 사원/과장

4. 주요연구실적
○ 2010 한국물리학회에서 Best Poster Award 수상
○ 2008 교육과학기술부 국가연구개발 우수개발성과패 수상
○ 2008 한국학술진흥재단 학술연구조성사업 우수성과사례 인증패 수상
○ 2001 한국과학기술단체총연합회 과학기술우수논문상 수상
○ 1996 KAIST 학술상 수상
○ 1985 미국전자현미경학회 Presidential Student Award 수상
○ 1985 미국금속학회 Scholastic Achievement Award 수상

5. 출판
○ 국외논문 400여편 게재
○ 저서 7권
○ 13개의 국내 특허 보유 

<육종민 박사>

1. 인적사항
○ 소  속 : KAIST 신소재공학과

2. 학    력
○ KAIST 신소재공학과 학사 2004
○ KAIST 신소재공학과 석사 2007
○ KAIST 신소재공학과 박사 2012

3. 경력사항
○ 2012. 3.~현재 울산 과학기술대학교 방문 연구원
○ 2012. 3.~현재 KAIST 응용과학 연구소 연수 연구원
○ 2010. 2.~2011. 8. 미국 U.C. Berkeley에 방문 연구
○ 2008. 8.~2009. 8. 미국 Lawrence Berkeley National Laboratory의 National Center for Electron Microscopy에 방문 연구

4. 주요수상경력
○ 2010 BK 21 해외 장기 연수 장학금 수상
○ 2008 BK 21 해외 장기 연수 장학금 수상
○ 2007 한국장학재단 대학원생 국가연구장학금 수상

5. 출판
○ 15 편의 국제 학술 논문 출판
○ 8번의 국내 및 국제 학회 발표
○ 3개의 국내 특허 보유


 

posted by 글쓴이 과학이야기

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  1. 우와~ 2012.04.08 00:03  Addr Edit/Del Reply

    최근에 굵직굵직한 연구결과물들이 마구 쏟아지고 있네요~.
    더구나, 이번 연구결과는 정말.. 노벨상이 확실해 보이는데요?! ㅎㅎㅎ
    이것말고도 대단한 것들이 최근에 많이 나와서 기대가 점점 높아지고 있는 데...

    암튼, 관련 학자분들에게 축하말씀 드립니다!
    ^^

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