UNIST, 초고속 전자현미경으로 나노물질 구조 분석법 제시
초민감형 질량 센서, 기계 진동 관련 연구 활용 기대

국내 연구진이 나노물질의 내부 변화를 실시간으로 포착했다.

UNIST(총장 정무영)는 권오훈 교수팀이 초고속 투과전자현미경으로 펨토초(1000조 분의 1초) 단위로 나노미터(10억 분의 1m) 크기 물질의 구조 변화를 관찰하는 분석법을 제시했다고 7일 밝혔다. 

물질 구조를 보는 기법은 원자 하나를 관찰하는 수준으로 정밀해졌다. 물질의 특성을 정확하게 파악하려면 아주 짧은 순간에 일어나는 반응을 포착해야 한다. 

시간 단위로 일어나는 현상을 잘라내서 분석하는 개념을 '시간 분해능'이라고 한다. 전자빔을 쏘는 전자현미경은 빔 속도를 조절해 펨토초 수준의 시간 분해능을 구현하는 동시에 나노미터 이하 크기 물체도 볼 수 있다.

연구진은 초고속 투과전자현미경을 조절해 금 나노입자의 진동을 펨토초 단위로 관찰하는 데 성공했다. 금 나노입자에 레이저(광펄스)로 음향 진동을 발생시켜, 막대 모양의 금 나노입자가 외부 에너지를 받고 변하는 모습을 실시간으로 관찰했다. 펨토초 간격으로 촬영한 이미지를 이어 붙이면 영화 같은 나노입자 영상이 만들어진다.

연구팀은 '전자직접검출 카메라'를 검출기로 사용해 검출 한도도 5~10배 높였다. 전자현미경에는 시료의 모습을 담은 전기적 신호를 이미지로 변환하는 검출기가 필요하다. 연구팀은 이 과정을 단순하게 만들어 검출 가능한 최소 신호의 한계를 낮췄다. 

연구를 주도한 김예진 연구원은 "전자직접검출 카메라를 탑재한 초고속 전자현미경은 최초 시도"라고 밝혔다.

실험 모식도. 515nm 광여기 펄스(초록색)가 금 나노입자의 진동을 유도한다. 피코초 광전자 탐침 펄스(보라색)가 시간에 따른 구조 변화 정보를 가지고 아래쪽에 있는 검출기(CMOS)에 도달한다. <그림=UNIST 제공>
실험 모식도. 515nm 광여기 펄스(초록색)가 금 나노입자의 진동을 유도한다. 피코초 광전자 탐침 펄스(보라색)가 시간에 따른 구조 변화 정보를 가지고 아래쪽에 있는 검출기(CMOS)에 도달한다. <그림=UNIST 제공>
권오훈 교수는 "물질의 구조 동역학적인 특성을 파악하는 일은 새로운 소재를 개발하고 기존 소재의 성능을 향상하기 위해 필요한 기초과학 영역"이라며 "이번에 개발한 기술은 초민감형 질량 센서나 기계 진동에 관여하는 양자효과 규명에 기여할 수 있을 것"이라고 기대했다. 

연구 결과는 지난 7일 매터(Matter)에 실렸다. 논문명은 'Ultrafast Electron Microscopy Visualizes Acoustic Vibrations of Plasmonic Nanorods'다.

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