서울대 화학생물공학부 박정원 교수 연구팀, 나노입자의 원자 구조 변화를 3차원에서 관찰하는 신기술 세계 최초 개발

안영만 기자 / 서울대학교 공과대학은 화학생물공학부 박정원 교수 연구팀이 나노입자의 원자 구조 변화를 3차원에서 관찰하는 신기술을 개발했다고 밝혔다.

▲왼쪽부터 서울대학교 화학생물공학부 박정원 교수, 강성수 연구원

이번 연구는 역대 노벨상 수상자들도 풀지 못한 난제를 해결한 획기적 성과를 인정받아 지난 1월 29일 최고 권위의 국제 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)’에 온라인 게재된 바 있다.

최근 에너지·환경·의료 등 첨단 산업의 기능성 소재 개발에 활용되는 나노입자(Nano particle)가 주목받고 있다. 수 나노미터(1nm: 10억 분의 1m)의 작은 크기로 인해 고유한 물리·화학적 특성을 지닌 나노입자는 크기에 따라 반응성이 매우 다르기 때문에, 그 구조 변화를 관찰할 필요성이 컸다. 그러나 기존의 나노구조 관찰기법은 분석을 위해 진공에서 고정된 나노입자에만 쓰이거나 수많은 나노입자의 평균적 정보 도출에만 활용됐기 때문에, 단순한 입자 구조 파악에 그치는 한계가 있었다. 따라서 액체 환경에서 시간에 따라 나노입자가 변화하는 과정과 함께 개별 나노입자의 3차원 원자 구조를 직접 관찰하는 과제는 매우 어려운 기술적 난제로 남아 있었다.

그러나 나노입자와 달리 단백질의 3차원 원자 구조는 이미 밝혀졌다. 2017년 노벨화학상을 수상한 세 학자가 개발한 ‘극저온 투과전자현미경(cryo-TEM)’이라는 혁신적 기법 덕분이었다. 박정원 교수 연구팀은 이 기법에 더해 직접 개발한 그래핀(Graphene)을 이용한 ‘액상 투과전자현미경(liquid TEM)’을 활용해 용액 상태에서의 나노 구조를 3차원으로 관찰하는 기법을 개발한 바 있다. ‘브라운 토모그래피(Brownian tomography)’이라 불리는 이 기법의 개발 성과를 다룬 논문은 지난 2020년 ‘사이언스(Science)’ 표지에 소개됐다.

이러한 기술 발전의 흐름을 이어받은 박정원 교수 연구팀은 ‘시분해 브라운 토모그래피(time-resolved Brownian tomography)’ 기법을 개발해 단일 나노입자의 3차원 원자 구조가 시간에 따라 변화하는 과정을 직접 추적하는 데 성공했다. 복잡한 화학적 반응이 일어나는 나노입자의 미세한 원자 수준 변화를 보다 심층적으로 이해할 수 있는 길을 연 것이다. 특히 이번 연구는 과학적 난제에 도전하는 독창적 연구를 후원하는 삼성미래기술육성사업의 지원을 받아 이전에는 해결이 불가능했던 오랜 과제를 푸는 성과를 거뒀다는 점에서 그 의미가 크다.