3D 싱글 알고리즘을 통해 얻은 백금 나노입자의 3차원 구조/IBS 제공

기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단 박정원 연구위원(서울대 화학생물공학부 교수) 연구팀이 호주 모나쉬대, 미국 로렌스버클리국립연구소(LBNL)와의 공동연구를 통해 나노입자의 3차원 구조를 원자 수준에서 분석할 수 있는 알고리즘 ‘3D싱글’을 개발했다.
반도체 공정 분야 품질 관리나 코로나19 바이러스와 같은 생체 분자의 구조 분석 분야에서는 반도체 소재나 바이러스의 3차원 구조를 원자 수준에서 빠르게 분석하는 기술이 중요하다.
소재의 물성은 재료를 구성하는 미세한 원자 위치 변화에도 민감하게 반응하다.
촉매 활성이 바뀌고, 디스플레이의 색 순도가 달라지기 때문이다.
특히 코로나19 바이러스에 대처하는 데는 분석기술의 중요성이 더 커진다.
바이러스의 3차원 구조를 원자 수준에서 정확하고 빠르게 파악해야 진단기술 및 치료제 개발 시 목표 부위를 찾아낼 수 있기 때문이다.
초저온전자현미경(Cryo-EM) 등 분석기술의 발전으로 나노입자의 3차원 구조를 파악할 수 있게 됐다.
하지만 기존 기술은 동결된 시료에서 얻은 이미지만을 처리할 수 있다는 한계가 있었다.
동결 과정에서 단백질 및 재료의 구조변화가 생길 수 있는 문제를 안고 있다.
여기에 기존 기술은 동일한 구조를 갖는 다량의 입자를 한 번에 동결시켜 여러 각도의 사진을 얻고, 이 데이터를 처리해 입자 하나의 3D 이미지를 얻는 방식이었다.
같은 나노입자라도 원자 배열에서 미세한 차이가 있을 수 있었다.
이번 기술은 여러 입자를 합성해 하나의 입자로 재구성하는 것이 아니라 하나의 원자를 추적 관찰해 나노입자를 정확히 파악해낼 수 있다.
연구팀은 시료를 얼리지 않고도 높은 에너지로 가속된 전자를 시료에 쪼여 시료 내부 구조까지 영상화할 수 있는 투과전자현미경 기술을 이용해 3차원 이미지를 얻는 데 성공했다.
지난 2020년 이미 개발한 액상 투과전자현미경(liquid cell TEM)을 이용해 나노입자의 전체적 형상을 넘어 원자 배열까지도 입체적으로 관찰할 수 있는 세계 최초 기술을 응용했다.
이번 연구에서는 자체 개발한 ’3D 싱글‘ 알고리즘을 액상 투과전자현미경에 접목해 관찰 성능을 대폭 높였다.
액상 투과전자현미경은 나노 입자를 그래핀으로 만든 특수 용기(액체 셀)에 담은 뒤 액체 셀 안에서 회전하는 나노입자를 초당 400장의 속도로 촬영하는 기술이다.
관찰하려는 나노입자 외에도 용기로 사용되는 그래핀과 액체까지도 함께 포착된다는 문제가 있었다.
이에 따라 연구팀은 그래핀과 액체에서 비롯한 노이즈를 스스로 제거하고, 관찰하려는 원자만 최대 1.5배 더 뚜렷하게 관찰할 수 있도록 알고리즘을 개선했다.
또한 용액 내에서 자유롭게 회전하는 나노입자를 추적하는 효율을 개선하여 기존보다 10배가량 빠른 속도로 3차원 구조를 파악할 수 있게 됐다.
그 결과, 지난 연구에서는 관찰이 어려웠던 크기 2nm 미만의 극미세 입자까지도 추적할 수 있었다.

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