작성일 : 21-01-21 11:26
KAIST 육종민 교수팀 "아쿠아리움에서 물고기 보듯" , 액체를 원자 단위로 관찰하는 전자현미경 기술 개발
 글쓴이 : happy
조회 : 23  

액체를 원자 단위로 관찰하는 전자현미경 기술 개발

  •  김효원 수습 기자
  •  
  •  승인 2021.01.19 15:15
 

KAIST 육종민 교수팀 "아쿠아리움에서 물고기 보듯"
고체 시료만 관찰했던 전자현미경 한계 넘어
얇고·투명·튼튼한 그래핀 액상 유동칩 제작

국제학술지 어드밴스트 머터리얼스 표지(왼쪽)와 그래핀 액상 유동 칩의 모식도(오른쪽) [사진=KAIST 제공]
국제학술지 어드밴스트 머터리얼스 표지(왼쪽)와 그래핀 액상 유동 칩의 모식도(오른쪽) [사진=KAIST 제공]
육종민 KAIST 신소재공학과 교수 연구팀 액체 시료를 분자, 원자 단위까지 관찰할 수 있는 투과전자현미경을 개발했다. 액체가 자유롭게 움직이는 환경에서 고해상도의 영상을 얻을 수 있는 '그래핀 아쿠아리움 전자현미경 이미징 플랫폼'이다. 

투과전자현미경은 광학현미경보다 수천 배 높은 배율로 원자 단위까지 관찰이 가능하다. 시료를 관찰하기 위해서는 진공상태가 유지돼야 하기 때문에 액체 시료는 지금까지 관찰이 불가능했다. 

이러한 한계 때문에 액체 시료를 건조시키거나, 급속 냉동시키는 방식으로 관찰이 이뤄졌다. 이렇게 되면 액체 속에서 일어나는 분자의 역동적인 현상을 관찰할 수 없다. 

문제를 해결하기 위해 제시된 방법은 액체를 얇은 막으로 감싸는 '액상 전자현미경 기술'이다. 하지만 이 또한 막에서 오는 전자의 산란으로 해상도가 낮아진다는 단점이 있었다. 

카이스트 연구진은 액상 전자현미경 기술을 '아쿠아리움에서 물고기를 관찰하는 것'으로 비유했다. 물고기를 생생하게 관찰하기 위해서는 투명하고 높은 수압을 견디는 튼튼한 유리가 필요하다. 이처럼 전자현미경에도 전자빔에 대해 투명하고 진공으로부터 액체를 안정적으로 보호할 수 있는 물질이 필요하다. 
 
그래핀 액상 유동 칩을 이용해 관찰한 나노 입자 및 박테리아의 전자현미경 이미지 [사진=KAIST 제공]
그래핀 액상 유동 칩을 이용해 관찰한 나노 입자 및 박테리아의 전자현미경 이미지 [사진=KAIST 제공]
육 교수 연구팀은 차세대 소재 '그래핀'에 주목했다. 그래핀은 매우 얇지만 강한 강도를 가졌다. 원자 단위 수준의 두께에 강철보다 200배 높은 강도다. 기존 막보다 100배 얇은 그래핀은 전자빔에 대해 투명해 이를 이용해 원자 단위에서 물질을 선명하게 관찰할 수 있다. 박테리아 및 생체 분자도 염색 과정 없이 온전히 관찰 가능하다. 

이번 연구에서는 30~100nm 두께의 액상 수로를 가지는 구조체를 통해 액체가 흐를 수 있도록 만든 그래핀 액상 유동 칩을 제작했다. 그래핀 액상 유동 칩은 약 4기압에 달하는 압력 차를 견딜 수 있다. 또 기존보다 20배 빠른 속도의 액체도 안정적으로 견딘다. 

육 교수는 "새로운 이미징 플랫폼의 개발은 과학 기술 발전의 토대가 되는 것으로, 액체 내 물질들을 분자 및 원자 단위로 관찰하면 자연의 가장 작은 단위에서 시작되는 다양한 현상들을 규명할 수 있으며, 이를 토대로 미지에 싸여있던 생명 현상의 비밀을 밝힐 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

그래핀 액상 유동 칩은 지금껏 직접 관찰하지 못했던 현상들을 보여줄 수 있다. 코로나 바이러스가 감염을 일으키는 과정이나 알츠하이머와 같은 퇴행성 뇌 질환의 발병 원인으로 지목된 아밀로이드 섬유화가 어떻게 일어나는지 등 기초과학 연구에 도움을 줄 것으로 기대된다. 
 
(왼쪽부터) 육종민 KAIST 교수, 구건모 박사과정, 박정재 박사과정  [사진=KAIST 제공]
(왼쪽부터) 육종민 KAIST 교수, 구건모 박사과정, 박정재 박사과정  [사진=KAIST 제공]
이번 연구는 삼성 미래기술 육성 센터의 지원을 받아 수행됐다. 이번 연구는 구건모 KAIST 박사, 박정재 박사과정이 공동 제1저자로 참여했으며, 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)'에 1월 14일자로 게재됐다.