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더욱더 또렷해진 원자 내부의 세계
더욱더 또렷해진 원자 내부의 세계
  • 양도웅
  • 승인 2018.11.16 11:10
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김승철 부산대 교수·김영진 싱가포르 난양공대 교수 공동 연구

미시세계의 물리학. 양자역학을 부르는 또 다른 이름이다. 올해 개봉한 영화 <앤트맨 앤 와스프>에서 이 미시세계의 모습이 그려지긴 했지만, 현 인류 기술로 이 세계의 구체적 모습을 그리기는 어렵다.

이 같은 상황에서 DNA의 움직임처럼 원자 크기보다 작은 대상의 움직임을 관찰할 수 있는 기술이 개발돼 주목받는다. 원자는 원자핵(+전하)과 전자(-전하)로, 원자핵은 양성자(+전하)와 중성자(전하 없음)로 구성돼 있다. 양자역학의 세계는 원자와 원자 내부의 세계이기도 하다.  

김승철 부산대 교수(광메카트로닉스공학과)와 김영진 싱가포르 난양공대 교수로 구성된 공동연구팀이 나노미터 이하(m, 성인 머리카락 굵기의 10만분의 1)의 작은 규모를 측정하는 ‘플라즈모닉 자(ruler)’ 기술의 분해능(측정 대상이 얼마나 또렷한가를 나타내는 척도)과 속도를 획기적으로 향상시켰다. 원자는 m이며, 원자를 구성하는 원자핵의 크기는 m이다. 이번 개발로, 인류는 원자의 세계를 육안으로 보는 시대로 접어드는 지점에 도착했다.

플라즈모닉 자는 바이오·의료 분야에서 DNA 또는 RNA의 실시간 움직임을 모니터링하거나 기초물리 분야에서 양자역학을 이해하는 데 필수적인 기술이다. 금속 내부에서 동시에 진동하는 전자의 무리인 플라즈몬의 입자가 서로 접근할 때 스펙트럼이 변하는 현상을 이용해 나노 규모의 거리를 측정하는 기술이다.

연구팀은 펨토초 레이저를 이용해 플라즈모닉 자의 분해능이 240배 정교해지고 측정 속도가 1천배 빨라지며 측정 대상이 주변 환경에 영향을 받지 않고 뚜렷하게 나타나는 걸 확인했다. 개발된 기술에서 분해능은 1.67피코미터(pm, 1pm=m)로 보고됐다. 펨토초 레이저는 펨토초(1/1015초) 단위의 짧은 시간 동안 레이저 빛을 쏘아 분자(원자로 이뤄진 물질)의 움직임을 마치 사진처럼 찍어낸다.

시간에 따라 변하는 금속 나노입자 간의 거리를 측정하기 위해 광대역 펨토초 레이저를 쏜다. 그러면 나노입자 간의 거리 변화에 따라 빛의 위상(무지개 빛)이 다르게 측정되는데, 이 원리를 그림으로 표현한 것. 자료 제공=한국연구재단

김승철 교수는 “DNA와 RNA의 움직임 관찰과 양자역학 연구에 도움을 줄 뿐만 아니라, 전자주사현미경 등 초정밀 장비들의 피코미터 급 보정과 표준 확립에도 활용할 수 있을 것”이라고 연구의 기대효과를 설명했다.

이번 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 미래소재디스커버리사업(단장 오진우) 및 기초연구사업(기초연구실), 싱가포르연구재단의 지원으로 수행됐다. 지난 5일 세계적인 권위지 《Nature Physics》에 게재됐다. 

양도웅 기자 doh0328@kyosu.net


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