[564호 2025년 3월] 뉴스 모교소식
원자 변화 3차원 관찰 기술 세계 첫 개발
나노입자의 원자 구조 변화를 3차원에서 관찰하는 신기술을 개발한 박정원 교수 연구팀
원자 변화 3차원 관찰 기술 세계 첫 개발
화학생물공학부 박정원 교수 연구팀이 나노입자의 원자 구조 변화를 3차원에서 관찰하는 신기술을 개발했다.
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.
박정원 교수 연구팀은 ‘시분해 브라운 토모그래피’ 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 것. 기존에 주로 진공 환경에서 고정된 나노입자만 다뤘던 일반 투과전자현미경이나, 수많은 나노입자의 평균적 정보만 도출했던 분광학적 방법을 뛰어넘은 혁신적 성과로 평가받는다. ‘액체 환경’에서 시시각각 변하는 ‘단일 나노입자’의 3차원 원자 배치를 직접 측정할 수 있는 기술의 개발은 세계 최초이기 때문이다.
이번 연구에서는 친환경 수소산업의 현실화에 필수적인 촉매인 백금 나노입자의 구조 변화 과정을 관찰하는 성과도 이뤄 향후 고성능 촉매 개발에 크게 기여할 것으로 전망된다.
연구를 이끈 박정원 교수는 “‘시분해 브라운 토모그래피’ 기법의 개발은 2017년 노벨화학상 수상에 빛나는 ‘크라이오 투과전자현미경’, 그리고 2020년 사이언스 표지 논문에서 발표한 ‘액상 TEM’의 계보를 잇는 혁신적 성과”라고 강조하며 “이 기술이 앞으로 수소연료전지·이산화탄소 전환 촉매·리튬 이차전지 등 다양한 에너지 소재에서 발생하는 복잡한 반응 메커니즘을 규명하고, 더 나은 소재를 설계하는 데 크게 기여할 것”이라고 기대를 드러냈다.
화학생물공학부 박정원 교수 연구팀이 나노입자의 원자 구조 변화를 3차원에서 관찰하는 신기술을 개발했다.
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.
박정원 교수 연구팀은 ‘시분해 브라운 토모그래피’ 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 것. 기존에 주로 진공 환경에서 고정된 나노입자만 다뤘던 일반 투과전자현미경이나, 수많은 나노입자의 평균적 정보만 도출했던 분광학적 방법을 뛰어넘은 혁신적 성과로 평가받는다. ‘액체 환경’에서 시시각각 변하는 ‘단일 나노입자’의 3차원 원자 배치를 직접 측정할 수 있는 기술의 개발은 세계 최초이기 때문이다.
이번 연구에서는 친환경 수소산업의 현실화에 필수적인 촉매인 백금 나노입자의 구조 변화 과정을 관찰하는 성과도 이뤄 향후 고성능 촉매 개발에 크게 기여할 것으로 전망된다.
연구를 이끈 박정원 교수는 “‘시분해 브라운 토모그래피’ 기법의 개발은 2017년 노벨화학상 수상에 빛나는 ‘크라이오 투과전자현미경’, 그리고 2020년 사이언스 표지 논문에서 발표한 ‘액상 TEM’의 계보를 잇는 혁신적 성과”라고 강조하며 “이 기술이 앞으로 수소연료전지·이산화탄소 전환 촉매·리튬 이차전지 등 다양한 에너지 소재에서 발생하는 복잡한 반응 메커니즘을 규명하고, 더 나은 소재를 설계하는 데 크게 기여할 것”이라고 기대를 드러냈다.