서울대학교 공과대학 화학생물공학부 박정원 교수 연구팀이 나노입자의 3차원 원자 구조 변화를 실시간으로 추적할 수 있는 신기술을 개발했다고 25일 밝혔다. 이번 연구는 기존 관찰 방식의 한계를 극복한 혁신적 성과로 평가받으며, 지난 1월 29일 국제 학술지 *네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)*에 게재됐다.

왼쪽부터 서울대학교 화학생물공학부 박정원 교수, 강성수 연구원

나노입자는 에너지, 환경, 의료 등 첨단 산업에서 중요한 역할을 하지만, 크기에 따라 반응성이 크게 달라지므로 원자 구조 변화의 실시간 분석이 필수적이다. 그러나 기존 기술은 나노입자를 진공 상태에서 고정해 관찰하거나, 다수의 입자로부터 평균적인 정보를 얻는 데 그쳐 개별 입자의 실시간 변화를 직접 추적하는 데 한계가 있었다.

박 교수 연구팀은 기존의 ‘브라운 토모그래피(Brownian tomography)’ 기법을 발전시켜, ‘시분해 브라운 토모그래피(time-resolved Brownian tomography)’를 새롭게 개발했다. 이 기술은 그래핀 액상셀 투과전자현미경(Graphene Liquid Cell TEM)을 이용해 용액 속에서 자유롭게 움직이는 나노입자의 원자 배치 변화를 다각도로 포착하고, 이를 3차원 영상으로 재구성하는 방식이다. 특히 세계 최초로 액체 환경에서 단일 나노입자의 원자 구조 변화를 실시간으로 분석하는 데 성공했다.

연구팀은 이 기법을 활용해 백금(Pt) 나노입자의 식각(etching) 과정에서 나타나는 원자 단위의 변화를 분석했다. 이를 통해 나노입자 표면의 원자가 용액으로 빠져나가거나(탈착), 재배열되거나, 다시 붙는(재흡착) 순간을 3차원으로 포착했다. 또한 나노 결정이 1nm 이하로 작아지면 고도로 무질서한 상(disordered phase)이 새롭게 형성된다는 사실도 밝혀냈다. 이는 백금이 일반적으로 규칙적인 원자 배열을 갖는다는 기존 이론과는 다른 결과로, 나노 크기에서 새로운 구조적 특성이 나타날 가능성을 제시했다.

이번 연구는 삼성미래기술육성사업과 국가 수소 중점연구실 사업의 지원을 받아 수행됐으며, 수소연료전지, 이산화탄소 전환 촉매, 리튬 이차전지 등 차세대 에너지 소재 연구에도 큰 영향을 미칠 것으로 기대된다.

박정원 교수는 “이번 연구는 2017년 노벨화학상으로 주목받은 크라이오 투과전자현미경(cryo-TEM)과 2020년 사이언스(Science) 표지 논문에 소개된 액상 TEM 기술의 계보를 잇는 중요한 성과”라며 “향후 친환경 및 고성능 에너지 소재 개발에 기여할 수 있도록 연구를 지속하겠다”고 밝혔다.

논문의 주저자인 강성수 연구원(서울대 박사, 현 시카고대학교 박사후연구원)은 “이번 연구를 통해 나노입자의 원자 단위 구조 변화를 실시간으로 직접 확인할 수 있었다”며 “특히 기존 기술로는 포착할 수 없었던 표면 원자의 움직임과 새로운 상(phase)의 형성을 밝혀낸 점에서 의미가 크다”고 말했다.