'100억분의 1ｍ' 원자가 모여 핵 이루는 순간 첫 관찰

IBS·한양대·미 LBNL "원자는 비결정·결정 구조 반복하며 성장"

기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단 박정원 연구위원 연구팀은 원자가 모여 결정을 이루는 '핵 생성'(nucleation) 과정을 처음으로 관찰해 냈다고 29일 밝혔다.

한양대 에리카캠퍼스 이원철 교수팀과 미국 로렌스버클리국립연구소(LBNL)가 공동으로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 '사이언스'(Science) 이날 자에 실렸다.

핵 생성은 원자가 모여 물질을 만드는 출발점이지만, 원자의 크기가 수 옹스트롬(Å·100억분의 1ｍ) 수준으로 작은 데다 밀리초(ms·1천분의 1초) 단위로 빠르게 움직여 관찰이 어려웠다.

연구팀은 원자 한 개 두께의 얇은 그래핀(흑연의 한 층에서 떼어낸 2차원 물질) 위에 전자빔을 받으면 금 원자를 내보내는 나노 물질을 합성했다.

이어 LBNL이 보유한 세계 최고 성능의 투과전자현미경(TEM)을 이용해 금 결정이 만들어지는 과정을 실시간으로 관찰했다.

투과전자현미경의 전자빔을 받고 방출된 금 원자는 그래픽 박막 위에서 뭉치며 나노 결정을 만들게 된다.

관찰 결과 원자들은 무질서하게 뭉친 비결정상 구조와 규칙적으로 배열된 결정상 구조를 가역적으로 반복하며 결정핵을 형성하는 것으로 나타났다.

처음에는 대부분 비결정상 상태였던 결정핵은 성장하면서 최종적으로 결정상 상태를 이루게 된다.

이는 처음부터 결정핵이 규칙적인 결정상으로 성장한다는 기존 이론을 뒤집는 것이다.

박정원 연구위원은 "핵 생성 과정의 새로운 원리를 발견함과 동시에 이를 실험적으로 검증했다"며 "원자 몇 개가 뭉친 초기 단계에서는 결정상과 비결정상을 오가는데 필요한 에너지가 적어 두 상태를 반복하게 된다"고 설명했다.

이원철 교수는 "박막 증착 공정의 극 초기 상태를 실험적으로 재현하는 데 성공했다"며 "반도체 소재 분야 원천기술 개발에 활용할 수 있을 것"이라고 말했다.

/연합뉴스