원자가 ‘결합·분리·재결합’ 모습 세계 최초 촬영 성공

원자가 결합하고 분리하고, 재결합하는 모습이 세계 최초로 영상으로 촬영하는 데 성공했다.

여러 원자가 결합해 분자가 되고 분자를 구성하는 원자의 수와 종류가 변화하면 분자의 특성도 크게 변화한다. 화학의 기본 중 하나인 원자끼리 결합하거나 분리하는 모습을 영국과 독일 연구팀이 세계 최초로 영상으로 기록했다.

원자의 결합과 분리의 과정은 지금까지 영상으로 기록할 수 없었다. 그 이유는 원자들이 결합할 때 ‘화학 결합’이 인간의 머리카락 너비의 약 50 만분의 1이라는 매우 작은 스케일에서 발생하기 때문이다.

하지만 영국 노팅엄대학(University of Nottingham)과 독일 울름대학(University of Ulm) 공동 연구팀이 아주 작은 스케일에서 일어나는 화학 반응을 영상으로 포착하는 데 성공했다. 

영상 촬영 방법은 미국 과학발전협회(Advance of Advancement of Science)가 발간하는 국제 과학 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 논문명 ‘원자 규모의 디레늄 분자에서 지원되지 않는 금속-금속 결합 이미징(Imaging an unsupported metal-metal bond in dirhenium molecules at the atomic scale)’으로 1월 17일(현지 시각) 게재됐다.

다음 영상은 탄소 나노 튜브에서의 레늄 원자가 결합하고 분리하는 모습이다. 영상 가운데 까만 점 2개가 결합과 분리를 반복하는 레늄(Re) 원자다.

논문에 따르면 원자의 결합 및 분리 과정을 실시간으로 촬영한 것은 이번이 처음이다.

연구팀은 직경 1nm~2nm(나노 미터) 정도의 탄소 나노 튜브에 한 쌍의 레늄(Re) 원자를 넣고 원자의 결합과 분리하는 모습을 영상으로 포착했다. 또한, 촬영은 표본에 전자선을 비춰서 시각화해 이미지를 생성하는 투과형 전자 현미경(TEM, Transmission Electron Microscopy)가 사용됐다.

투과형 전자 현미경(TEM)이란 전자총에서 발사한 전자선을 사용해 물체를 보는 현미경인 전자 현미경의 종류 중 하나다. 원리는 전자총에서 발사해 편광된 전자선을 물체에 비추면 물체를 투과하는 투과파가 발생한다. 이 투과파를 전자렌즈에 통과시켜 확대한 상을 만들고, 이 상을 형광판에 맺게 하면 눈으로 볼 수 있게 된다. 빛을 사용해 물체를 보는 광학현미경보다 약 40~1,000배 확대해 볼 수 있어 미생물이나 분자구조까지 관찰할 수 있다.

▲어두운 각 금속 원자 점을 투과형 전자 현미경(TEM)으로 촬영했다. [출처: 노팅엄대학(University of Nottingham) 유투브 캡처]

노팅엄대학의 안드레이 클로비스토프(Andrei Khlobystov) 교수는 “나노 튜브는 원자나 분자를 잡아서 원하는 곳에 정확하게 위치시킬 수 있도록 도와준다. 이 경우에 한 쌍의 레늄(Re) 원자가 결합해 Re2를 형성한다. 레늄은 원자 번호가 높기 때문에 투과형 전자 현미경(TEM)에서 쉽게 ​​볼 수 있어 각 금속 원자를 어두운 점으로 식별할 수 있다”고 말했다.

김민중 기자 itnews@