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단결정 내 역동적인 분자 구조 변화 포착
눈에 보이지 않는 작은 분자 세계의 비밀이 밝혀졌다. 우리 대학 화학과 이효철 교수(기초과학연구원(IBS) 첨단 반응동역학 연구단장) 연구팀이 화학적 단결정 분자 내 구조 변화와 원자의 움직임을 실시간으로 관찰하는 데 성공했다.
물질을 이루는 기본 단위인 원자들은 화학결합을 통해 분자를 구성한다. 하지만 원자는 수 펨토초(1/1,000조 초)에 옹스트롬(1/1억 cm) 수준으로 미세하게 움직여 시간과 공간에 따른 변화를 관측하기 어려웠다. 분자에 엑스선을 쏴 회절 신호를 분석하는 엑스선 결정학(X-ray Crystallography)의 등장으로 원자의 배열과 움직임을 관찰하는 도구가 상당한 발전을 이뤘지만, 주로 단백질과 같은 고분자 물질에 대한 연구에 집중됐다. 비(非)단백질의 작은 분자 결정은 엑스선을 흡수하는 단면적이 넓고 생성되는 신호가 약해 분석이 어렵기 때문이다.
연구진은 선행 연구에서 단백질 내 화학반응의 전이상태와 그 반응경로를 3차원 구조로 실시간 규명한 바 있다. 이번 연구에서는 최초로 분자 단위 시스템에서 비단백질 분자의 구조 변화를 밝히는 데 성공하면서 분자 동역학 분야에 새로운 이정표를 세운 것으로 평가된다.
연구진은 수 펨토초의 순간에 변화하는 분자의 움직임을 포착하기 위해 포항가속기연구소의 엑스선 자유전자 레이저를 이용한 시간분해 연속 펨토초 결정학(time-resolved serial femtosecond crystallography, TR-SFX) 기법을 사용했다. 이 기법은 엑스선 자유전자 레이저에서 생성되는 펨토초 엑스선 펄스를 반응 중인 분자에 쏴 얻은 엑스선 회절 신호를 분석해 특정 순간 분자의 구조를 알아내는 방식이다.
공동 제1 저자인 이윤범 연구원은 “방대한 양의 엑스선 회절신호를 시간 순서대로 나열하면 원자의 움직임을 실시간으로 시각화할 수 있다”라며, “마치 분자의 초고속 변화를 영상으로 촬영하는 것과 같다”라고 설명했다.
실험을 위한 시료는 철 포르피린(Fe-porphyrin) 유도체와 지르코늄(Zr) 클러스터가 반복적으로 연결된 금속–유기 골격체에 일산화탄소(CO)가 흡착된 형태의 결정을 선택했다. 금속-유기 골격체는 금속 이온과 유기 분자가 연결돼 형성된 다공성 물질로, 다양한 구조적 기능, 가스 흡착 및 저장, 촉매활성 등의 특성으로 여러 산업 분야 응용에 주목 받는 물질이다.
연구진은 이 시료에 강력한 자외선 레이저를 쏴 광해리 반응을 유도하고, 이후 펨토초 엑스선 펄스의 회절 신호를 분석했다. 그 결과, 광해리 반응으로 인해 철 포르피린에 흡착된 일산화탄소가 떨어져 나오며 세 가지의 주요한 구조로 변화하는 것을 밝혔다. 첫째는 5.55 피코초(1/1조 초) 주기로 진동하며, 2.68 피코초로 제동하는 철과 지르코늄 원자들의 집단 결맞음 진동 구조로의 변화다. 둘째는 철 포르피린의 철 이온이 포르피린 평면상에서 벗어나며 지르코늄 원자가 진동하는 구조다. 두 변화는 모두 200 펨토초 이내에 이뤄졌다. 마지막으로 온도 증가에 따라 철과 지르코늄 원자들의 무작위 진동 구조도 확인했다. 찰나의 순간, 분자의 역동적 구조 변화를 포착한 것이다.
공동 제1 저자인 강재동 학생연구원은 “이번 연구는 분자 구조를 정확히 통제해 맞춤형 특성을 가진 새로운 물질을 설계하는 연구에 기초정보를 제공할 수 있을 것”이라며, “촉매, 에너지 저장 및 이산화탄소 포집, 약물 전달 등 다양한 연구 분야에 폭넓게 활용될 것으로 기대한다”라고 전했다.
연구를 이끈 이효철 교수는 “포항가속기연구소의 적극적 지원으로 화학적 단결정 분자의 구조 변화를 최초로 포착할 수 있었다”라며, “분자 단위 화학 시스템 연구를 위한 강력한 도구로서 시간분해 연속 펨토초 결정학의 잠재력을 확인했다”라고 말했다.
이번 연구 결과는 3월 25일 19시(한국시간) 국제학술지 ‘네이처 케미스트리(Nature Chemistry)’ 온라인 판에 게재됐다.
2024.03.26 조회수 3292 -
이건재, 최성율 교수, 고체 상분리 현상에 의한 그래핀 생성원리 발견
우리 대학 신소재공학과 이건재 교수와 전기및전자공학부 최성율 교수 연구팀이 초단시간의 레이저를 조사해 단결정 탄화규소(SiC)의 고체 상분리 현상을 발견하고 이를 활용한 그래핀 생성원리를 밝혔다.
기존에 활용되고 있는 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition, CVD) 기반의 그래핀 합성법이 상당시간의 고온 공정을 필요로 하는 것과 달리 새로운 레이저 열처리법은 상온환경에서 단시간의 공정으로 그래핀을 합성할 수 있어 향후 그래핀 활용의 폭을 넓힐 수 있을 전망이다.
연구진은 단결정 탄화규소 소재 표면에 나노초(10억분의 1초) 단위의 극히 짧은 시간 동안 레이저를 쪼여 표면을 순간적으로 녹였다가 다시 응고시켰다. 그러자 탄화규소 표면이 두께 2.5나노미터의 탄소(C) 초박막층과 그 아래 두께 5나노미터의 규소(Si, 실리콘)층으로 분리되는 상분리 현상이 나타났다. 여기에 레이저를 다시 쪼이자 안쪽 실리콘층은 증발하고, 탄소층은 그래핀이 됨을 확인했다.
특히 탄화규소와 같은 이종원소 화합물과 레이저의 상호작용에 대한 연구는 아주 짧은 시간에 일어나는 복잡한 상전이 현상으로 지금까지 그 규명이 쉽지 않았다. 그러나 연구진은 레이저에 의해 순간적으로 유도된 탄소 및 실리콘의 초박막층을 고해상도 전자현미경으로 촬영하고, 실리콘과 같은 반도체 물질이 고체와 액체 상태일 때 나타나는 광학 반사율이 다르다는 점에 착안해 탄화규소의 고체 상분리 현상을 성공적으로 규명해낼 수 있었다.
연구에 활용된 레이저 열처리기술은 AMOLED(능동형 유기발광다이오드) 등 상용 디스플레이 생산공정에 널리 활용되고 있는 방법으로, CVD 공정과 달리 레이저로 소재 표면만 순간적으로 가열하기 때문에 열에 약한 플라스틱 기판 등에도 활용이 가능하여, 향후 플렉시블 전자 분야로 응용의 폭을 넓힐 수 있을 것으로 기대된다.
이 교수는 "이번 연구 결과를 통해 레이저 기술이 그래핀과 같은 2차원 나노소재에 보다 폭넓게 응용될 수 있을 것이다”고 말했다.
최 교수는 "앞으로 다양한 고체 화합물과 레이저의 상호작용을 규명해 이들의 상분리 현상을 활용하면 새로운 나노소재 개발을 기대할 수 있을 것이다”고 말했다.
이번 연구결과는 자연과학 및 응용과학 분야 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 최신호에 게재됐다.
□ 그림 설명
그림1. 단결정 탄화규소의 용융을 통한 상분리 현상의 원리를 밝혀내는 분자동역학 시뮬레이션의 모식도
그림2. 레이저에 의해 순간적으로 유도된 단결정 탄화규소의 용융 및 응고 현상을 증명하는 실시간 시간 분해능 반사율 (In-situ time-resolved reflectance) 측정 스펙트럼
그림3. 레이저가 조사된 탄화규소 표면의 전체적인 전자현미경 사진(a) 및 이로 의한 탄소와 실리콘으로의 상분리 현상을 촬영한 고해상도 전자현미경 사진(b)
2016.12.05 조회수 18806 -
김봉수 교수 연구팀, 그래핀을 이용한 플렉서블 전계방출 디스플레이(FED)용 이미터 전극 개발
-『Advanced Materials』온라인판 11월 5일자 게재 -
우리대학 화학과 김봉수 교수 연구팀이 新소재 그래핀 위에 코발트 게르마늄 나노선을 성장시켜 ‘차세대 플렉서블 전계방출 디스플레이’용 이미터 전극을 개발했다. ‘차세대 플렉서블 전계방출 디스플레이(FED)"용 고효율 · 고내구성 이미터(Emitter) 전극 기술이 개발되어, 향후 초박형(超薄形) 두루마리 컴퓨터 · TV, 3차원 디스플레이 등 다양한 분야에 응용될 것으로 기대된다.
‘꿈의 디스플레이로’로 불리는 전계방출 디스플레이(Field Emission display, FED)는 LCD보다 얇게, 브라운관 화질보다 선명하게 화면을 구현할 수 있고, 전력소모가 LCD의 1/4, PDP의 1/6밖에 안 들며 내부에 수은 등 공해 물질이 전혀 없는 친환경 디스플레이다. 특히 휘도가 아주 높아서 차세대 3차원 디스플레이를 구현할 수 있다.
FED는 상하 기판 사이에 진공으로 채워진 구조로 되어있으며, 상판(양극판)에는 형광체가 도포되어 있고, 하판(음극판)에는 미세한 마이크론 크기의 전자발사체(Emitter) 들이 무수히 형성되어 있다.
우수한 FED를 만들기 위해서는 고효율․안정한 구조의 이미터가 무엇보다 중요한 데, 지금까지 이미터 재료로서 주로 연구되던 탄소나노튜브(CNT)는 깜빡거림 및 내구성 등의 문제점을 가지고 있었다.
김봉수 교수 연구팀은 새로운 이미터 재료로 최근 新소재로 각광받고 있는 그래핀과 단결정 코발트 게르마늄 합금을 활용하여, ‘플렉서블’하면서 ‘효율적인’ 전계 방출 디스플레이 개발의 새로운 전기(轉機)를 마련했다.
그래핀은 흑연에서 얇은 한 층을 떼어낸 것으로 투명하고 수 nm이하의 초박형 제작이 가능하며, 뛰어난 전기전도성과 열전도성을 지니고 있어 고성능 투명전극으로 적합하다. 금번 연구팀은 큰 종횡비를 가지고 화학적 및 열적 내구성이 매우 우수한 단결정 코발트 게르마늄 합금 나노선을 최초로 개발했고, 이를 다층 그래핀 위에 수직으로 성장시키는 데 성공했다. 이 구조는 탄소나노튜브(CNT)에 필적하는 뛰어난 전계방출 특성을 보이면서 보다 우수한 내구성을 가지는 것으로 나타났다.
김봉수 교수는 "투명하고 구부릴 수 있는 그래핀 전극 위에 코발트 게르마늄 합금 나노선을 결합시켜 개발된 고효율 전계 방출 이미터는, 초박형 두루마리 컴퓨터·TV 및 3차원 디스플레이 등의 다양한 응용이 가능하여 차세대 디스플레이 시장을 선도할 수 있는 핵심 원천기술이 될 것이다.“라고 밝혔다.
한편, 이번 연구결과는 신소재 분야의 세계적 학술지인 "어드밴스드 머티리얼즈 (Advanced Materials)"지 온라인판 11월 5일자에 게재되었고, 현재 국·내외 특허 출원 중이다.
2009.11.13 조회수 18446 -
김봉수교수, 은나노선 합성법 개발
단결정 銀 나노선 합성법 최초 개발
- 질병진단센서, 바이오센서, 차세대 자성소자 등 광범위한 활용- 화학분야 최고 권위지인 미국화학회지에 지난 18일자 속보로 게재
KAIST(총장 서남표) 화학과 김봉수(金峯秀, 48) 교수 연구팀은 촉매를 전혀 사용하지 않는 새로운 합성법 개발로 ‘단결정 은 나노선 합성’에 최초로 성공했다. 이 연구 결과는 화학분야 최고 권위지인 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)에 지난 18일(수) 속보로 게재됐다.
은(Ag)은 높은 항균효과를 지니며, 전자 및 광학 재료로도 중요하게 사용된다. 은을 완벽한 단결정 나노선으로 만들면 탄소가 다이아몬드로 변하듯 물질의 특성이 변하면서 가치가 크게 높아진다. 보통의 물질은 촉매 등을 사용하면 단결정 나노선 합성이 가능한데 은과 같은 금속의 경우에는 적절한 촉매를 찾아내지 못해서 합성이 불가능했다.
金 교수는 촉매를 사용하지 않고 산화은을 출발물질로 적절한 응결조건을 맞추어줌으로써 은 입자들이 가장 에너지가 낮은 상태를 스스로 찾아가서 저절로 은 나노선이 생긴다는 사실을 발견했다. 이 기술을 이용하면 금속 및 금속화합물 대부분을 단결정 나노선으로 만들 수 있다. 특히 자성물질 나노선 및 열전소자 나노선 개발로 차세대 자성 소자 및 신에너지 핵심 물질을 개발할 수 있는 가능성이 열렸다. 합성된 은 나노섬유는 소독이 필요 없는 의료용 제품 개발, 바이오센서 및 자성메모리 제작 등에 중요한 소재가 될 수 있다.
은에 분자가 흡착되면 빛을 쪼였을 때 산란되는 빛의 세기가 1조배 이상 커진다. 이를 “표면증강 라만 효과”라 하며, 단 하나의 분자만 존재하더라도 검출이 가능하다. 이 효과는 은이 나노입자 크기로 작아지면 더욱 높아지므로 이를 이용한 질병 진단기 개발 연구가 활발하게 진행되고 있다. 특히, 은 나노선은 진단 능력이 보다 뛰어나 질병진단센서로 개발 전망이 높다.
이 연구는 과학기술부「21세기 프론티어연구개발사업」나노소재기술개발사업단에서 지원했으며, 연구 결과는 현재 세계 각국에 특허 출원중이다.
<붙임1. 용어해설>
■ 단결정 은 나노선나노선은 직경이 수 나노미터에서 수백 나노미터 사이에 있는 아주 가늘고 긴 선을 말한다. 단결정은 물질을 이루고 있는 모든 구성원소가 규칙적으로 배열되어 있는 순수하고 독특한 구조인데 다이아몬드 같은 것이 대표적 예다. 은과 같은 금속의 경우에는 적절한 촉매를 찾아내지 못해서 합성이 불가능한데, 이번에 촉매를 사용하지 않고 은이 스스로 단결정 나노선을 이루는 새로운 합성법을 개발했다.
■ 은 나노섬유의 의료분야 응용
은 나노섬유를 이용하여 상처를 보호하기 위해 사용하는 의료용 붕대 등을 제작하면 병균 등의 침투를 근본적으로 방지할 수 있으므로 강력한 의료용 소재가 될 것으로 전망된다.
■ 미국 화학회지(Journal of the American Chemical Society)미국화학회(American Chemical Society)에서 발행하는 대표 학회지로서 가장 역사가 오래되고 권위가 높은 학술지이다. 여기서 특히 긴급하며 중요성이 높은 연구결과는 속보(Communication)로 신속하게 발표된다.
<붙임2. 관련 사진 및 설명>
1. 연구팀이 합성에 성공한 단결정 은 나노선의 전자현미경 사진
2. 하나하나의 원자까지 보여주며 완벽한 은 단결정임을 증명하는 초고전압 전자현미경 사진
2007.07.23 조회수 24148