X선으로 단일 원자 촬영 성공…”물질 분석에 혁신 가져올 것”

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X선으로 단일 원자 촬영 성공…”물질 분석에 혁신 가져올 것”

美 연구팀 "싱크로트론 X선-양자 터널링 결합…분자 내 원자 1개 특성 파악"

미국 연구팀이 X선으로 원자 1개를 촬영하는 데 처음으로 성공했다.

미국 오하이오대 소-와이 흘라 물리학 교수와 아르곤 국립연구소(ANL) 볼커 로즈 박사 연구팀은 1일 과학저널 ‘네이처'(Nature)에서 지금까지 물질의 X선 촬영에 1만개 이상의 원자가 필요했던 것과 달리 철(Fe) 원자 1개와 테르븀(Tb) 원자 1개를 X선으로 촬영했다고 밝혔다.

흘라 교수는 “원자 하나를 X선으로 촬영하는 것은 과학자들의 오랜 꿈이었는데 이제 그 꿈이 실현되고 있다”며 “X선을 이용해 특정 원자를 한 번에 하나씩 정확히 감지하고 동시에 화학적 상태를 측정, 물질의 특성을 구성 원자 하나라는 극한까지 추적할 수 있게 됐다”고 말했다.

1895년 독일 물리학자 빌헬름 뢴트겐이 발견한 X선은 건강검진부터 공항 보안 검색까지 다양한 목적으로 사용되고 있으며, 미국 항공우주국(NASA) 화성탐사선 큐리오시티에도 화성 암석 구성 물질 조사를 위한 X선 장치가 장착돼 있다.

과학에서 X선은 시료 속에 포함된 물질을 밝혀내는 데 중요한 역할을 해왔다. 하지만 분석 대상 원자가 생성하는 X선 신호가 매우 약해 기존 X선 검출기로는 단일 원자를 촬영하기는 어려웠다. 최근 전자·이온 가속장치인 싱크로트론을 이용한 X선 개발로 촬영에 필요한 시료량이 크게 줄었지만 지금까지 X선으로 촬영할 수 있는 가장 적은 양은 원자 1만개 이상인 아토그램(10의 -18제곱 g) 수준이었다.

연구팀은 아르곤 국립연구소의 첨단 광자 소스 및 나노물질 센터의 XTIP 빔라인에 특수 제작한 싱크로트론 X선을 이용해 철 원자 1개와 루테늄(Ru) 원자 6개로 이루어진 분자와 3개의 브롬화 피리딘-2,6-디카르복사미드에 둘러싸인 테르븀 화합물을 촬영해 분석했다.

이들은 원자 1개에서 나오는 X선 신호를 검출하기 위해 기존 X선 검출기에 날카로운 금속침으로 만든 특수 검출기를 붙여 시료에 매우 가깝게 배치한 싱크로트론 X선 주사 터널링 현미경(SX-STM)을 만들었다.

SX-STM의 X선 분광기는 개별 원자의 핵에 강하게 결합해 있는 코어 전자(core electron)의 빛을 흡수, 시료 내의 단일 원자를 직접 효과적으로 파악할 수 있다.

흘라 교수는 “각 분자 속 철 원자와 테르븀 원자의 화학적 상태를 비교한 결과 희토류 금속인 테르븀 원자는 주변 원자로부터 다소 고립돼 있어 화학적 상태가 변하지 않는 반면 철 원자는 주변 원자들과 강하게 상호작용하는 것으로 나타났다”고 설명했다.

논문 제1 저자인 톨루로프 마이클 아자이 연구원(박사과정)은 “이 연구에서 사용된 기술과 입증된 개념은 X선 과학과 나노 수준 연구에 혁신을 불러올 것”이라며 이 연구가 양자정보나 환경·의학 연구에서의 미량 원소 검출 같은 분야에서도 새로운 기술 탄생으로 이어질 수 있을 것이라고 말했다.