[과학의달인] 나노물질의 변화 과정…4차원 전자현미경으로 순간 포착한다 / YTN 사이언스

■ 권오훈 / 울산과학기술원 화학과 교수

[앵커]
현미경의 발명으로 인류는 눈에 보이지 않는 작은 세계를 탐구할 수 있게 됐습니다. 최근에는 나노물질의 움직임도 순간 포착할 수 있는 4차원 전자현미경까지 개발돼 새로운 미시세계의 문이 열렸다고 하는데요. 오늘 (과학의 달인)에서는
'특별한 4차원 전자현미경'에 대해 알아보겠습니다. 울산과학기술원 화학과 권오훈 교수와 함께합니다. 어서 오세요.

[인터뷰]
안녕하십니까.

[앵커]
전자현미경은 눈에 보이지 않는 작은 물질을 고해상도로 볼 수 있게 하는 장치인데요. 그런데 교수님께서는 기존의 전자현미경보다 발전된 4차원 전자현미경을 개발하셨다고 들었습니다. 이게 3차원도 아니고 4차원이 앞에 붙어 있는데, 기존 전자현미경과 어떻게 다른 건가요?

[인터뷰]
일반적인 현미경은 평면적인 물질의 사진이나 3차원 구조를 찍을 수 있는 반면에, 4차원 전자현미경의 경우 빠르게 움직이는 물질의 모습을 실시간으로 촬영할 수 있는 능력을 갖추고 있습니다.

[앵커]
네

[인터뷰]
즉, 공간에 해당하는 3차원에 시간 차원을 더해 4차원 전자현미경, 혹은 초고속 전자현미경이라고 부릅니다. 마치 쇼트트랙 결승점을 통과하는 사진을 찍는 것 같이, 4차원 전자현미경은 최대 펨토초 단위의 프레임으로 사진을 찍을 수 있는데요.

펨토초란 시간의 단위로 천조분의 1초를 뜻하고, 물질이 움직이는 물리적 현상이 일어나는 가장 기본이 펨토초이기 때문에 펨토초 단위로 물질의 모습을 관찰하는 것은 매우 중요합니다. 이처럼 4차원 전자현미경은 나노물질이 빠르게 움직여도 흔들리지 않고 선명하게 찍을 수 있고, 물질의 변화과정을 동영상으로도 촬영할 수 있습니다.

[앵커]
그렇군요.

[앵커]
그러니까 4차원 전자현미경은 마치 연속 사진을 찍는 것처럼 화학반응 같은 물질의 변화를 모두 촬영할 수 있다, 이런 말씀이신 거군요. 그렇다면 이 4차원 전자현미경을 통해서 밝혀낸 현상은 어떤 것이 있는지 궁금합니다.

[인터뷰]
여러 연구가 있지만, 그중에서 금 나노 입자의 진동 모습을 최초로 실시간으로 촬영한 연구에 대해서 소개해 드리고 싶습니다. 기존의 분석법으로는 매우 작은 나노입자 하나하나를 선택적으로 연구할 수가 없어서 주로 백만 개 이상 모여 있는 군집의 거동에 관해서 연구하고 이를 토대로 나노입자 하나의 성질을 유추해 왔는데요. 울산과학기술원에 설치한 4차원 전자현미경을 활용하면 최고 수준의 해상도로 각각의 나노입자의 고유한 움직임이나 성질을 밝혀낼 수 있습니다.

금 나노입자는 빛에너지를 받으면 진동하며 열에너지로 변환하는데, 너무 빠르게 진동하기 때문에 그 변화를 눈으로 확인할 수 없었습니다. 하지만 저희는 빛에너지가 어떻게 열에너지로 변화해서 어떤 물리적 화학적 현상을 유발하는지 연구해 이에 관한 기초지식의 폭을 넓혔다고 생각합니다.

[앵커]
예전엔 숲을 보는 수준이었다면 이제는 나무를 한 그루씩 살펴볼 수 있게 됐다, 이렇게 비유할 수 있을 것 같은데요. 그런데 이렇게 작은 나노물질의 움직임을 관찰하는 게 과학적으로 어떤 의미가 있나요?

[인터뷰]
다양한 물질의 구조를 밝히고 물리적 현상을 이해하는 것은 모든 과학의 출발점입니다. 현재 우리가 지닌 과학 지식의 상당 부분은 눈에 보이는 물질의 평균적인 성질에 기반을 두는데요. 현재 봉착한 과학적 난제나 기술적 한계를 극복하려면 원자, 분자, 나노물질 수준에서 감춰진 성질을 밝혀낼 필요가 있습니다. 이는 새로운 기능을 지닌 물질이나 소자 개발의 토대가 될 수 ...

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[YTN 사이언스 기사원문] https://science.ytn.co.kr/program/pro...