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[IT뉴스]시시각각 변하는 나노입자의 3차원 원자구조 본다

온카뱅크관리자

2025-02-25 16:07:32

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 <img alt="박정원 서울대 화학생물공학부 교수(왼쪽)와 강성수 연구원. 서울대 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202502/25/dongascience/20250225160219159qidt.jpg" data-org-width="442" dmcf-mid="UP7TyZtsxH" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img3.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202502/25/dongascience/20250225160219159qidt.jpg" width="658">
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 박정원 서울대 화학생물공학부 교수(왼쪽)와 강성수 연구원. 서울대 제공
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 국내 연구팀이 시간에 따른 나노입자의 3차원 구조 변화를 관찰할 수 있는 관측 기법을 처음으로 개발했다. 매우 작은 백금 나노입자에서 그동안 알려지지 않았던 특이 구조를 관찰하는 데도 성공했다.
 서울대 공대는 박정원 화학생물공학부 교수팀이 나노입자의 원자 구조 변화를 3차원에서 관찰하는 신기술을 개발했다고 25일 밝혔다. 연구결과는 지난달 29일 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 공개됐다.
 수 나노미터(nm, 10억분의 1m) 크기로 고유한 물리·화학적 특성을 나타내는 나노입자는 에너지, 의료 등 첨단 산업의 기능성 소재 개발에 활용된다. 진공에서 고정된 나노입자를 관측하거나 수많은 나노입자의 평균 정보를 알아내는 기존 나노입자 관찰 방법은 단순히 나노입자의 구조를 파악하는 데 그쳤다.
 액체 환경에서 시간에 따라 나노입자가 변화하는 과정과 개별 나노입자의 3차원 원자 구조를 직접 관찰하는 과제는 기술적 난제로 남아 있다.
 앞서 연구팀은 단백질의 3차원 원자 구조를 알아내는 도구인 '극저온 투과전자현미경(cryo-TEM)'에 직접 개발한 '액상 투과전자현미경(liquid TEM)'을 조합해 브라운 토모그래피(Brownian tomography)라는 기법을 개발했다. 용액 상태의 나노입자 구조를 3차원으로 관찰하는 방법이다.
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 <img alt="서울대 연구팀이 개발한 시분해 브라운 토모그래피 기법을 이용해 나노입자 3차원 원자구조 변화 분석하는 과정. 그래핀 층 사이 액체에서 움직이는 나노입자를 투과전자현미경(TEM)으로 촬영하고 촬영된 이미지를 3차원으로 시간에 따라 재구성할 수 있다. 서울대 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202502/25/dongascience/20250225160220480zyvv.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="uPvNjwsdPG" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img4.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202502/25/dongascience/20250225160220480zyvv.jpg" width="658">
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 서울대 연구팀이 개발한 시분해 브라운 토모그래피 기법을 이용해 나노입자 3차원 원자구조 변화 분석하는 과정. 그래핀 층 사이 액체에서 움직이는 나노입자를 투과전자현미경(TEM)으로 촬영하고 촬영된 이미지를 3차원으로 시간에 따라 재구성할 수 있다. 서울대 제공
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 연구팀은 브라운 토모그래피를 발전시킨 '시분해 브라운 토모그래피'로 단일 나노입자의 3차원 원자 구조가 시간에 따라 변화하는 과정을 직접 추적하는 데 성공했다. 복잡한 화학 반응이 일어나는 나노입자의 원자 수준 변화를 심층적으로 이해할 길을 연 것으로 평가된다.
 연구팀은 용액 속에서 시시각각 자유롭게 움직이는 나노입자를 시간 순서대로 여러 각도에서 관찰하고 3차원으로 재구성했다. 백금(Pt) 나노입자가 부식 과정에서 어떤 원자 구조 변화를 보이는지 확인한 결과 나노입자 표면의 원자가 용액으로 빠져나가거나 다시 붙는 등 변화의 순간을 3차원으로 포착했다.
 연구팀은 백금 나노결정이 1nm 수준으로 작아질 때 매우 무질서한 원자 배열이 나타난다는 사실도 발견했다. 백금은 일반적으로 매우 규칙적인 원자 배열을 나타낸다. 아주 작은 나노입자가 같은 원소로 구성된 거대 물질과 다른 특이 구조를 나타낼 수 있다는 것이다.
 연구팀이 개발한 시분해 브라운 토모그래피 기법은 시간 흐름에 따른 나노재료의 3차원 구조 변화를 분석할 수 있는 혁신적 기술로 향후 고성능 촉매 개발에도 크게 기여할 것으로 전망된다.
 박 교수는 "개발된 기술이 앞으로 수소연료전지·이산화탄소 전환 촉매·리튬 이차전지 등 다양한 에너지 소재에서 발생하는 복잡한 반응 메커니즘을 규명하고 더 나은 소재를 설계하는 데 크게 기여할 것"이라고 밝혔다.
 &lt;참고 자료&gt; - doi.org/10.1038/s41467-025-56476-8
 [이병구 기자 2bottle9@donga.com]
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