사람이 물체의 미세한 부분까지 확대시켜 육안으로 볼 수 있는 능력은 빛의 굴절에 의해 제한된다. 광학 현미경을 사용하더라도 물체의 선명도를 유지하며 최대치로 확대할 수 있는 수치는 약 2천 배 정도다. 결국 수백 나노미터의 파장을 가진 빛을 이용해 이보다 작은 나노미터 물체를 선명하게 본다는 것은 불가능에 가까웠다.
이렇듯 나노 세계는 그간 가시광선을 이용한 분석 분야에서는 미지의 영역에 가까웠다. 이러한 나노 세계를 가시광선을 이용하여 시각화 할 수 있는 새로운 기술이 개발돼 세계 학계의 주목을 받고 있다.
주인공은 전북대 화학공학과를 졸업하고 미국 리버사이드 캘리포니아대학(UCR)에서 박사후 연구원으로 재직하고 있는 김상곤 박사(38)다.
김 박사는 같은 대학 엔루슈(Ruoxue Yan) 부교수와 리우밍(Ming Liu) 부교수 등의 지도하에 이제까지 유례가 없는 높은 효율로 양자영역으로 빛을 통과시킬 수 있는 새로운 기술에 대한 논문을 세계 최고 저널인 ‘네이처 포토닉스(Nature Photonics·IF37.852)’ 최신호에 게재했다.
이 나노현미경은 가시광선을 나노 크기로 축소하여 분자와의 상호작용 일으킨 후 이후 나오게 되는 분자의 진동을 다시 판독 할 수 있는 정보로 되돌려 보냄으로 나노 세계를 시각화 할 수 있다.
1920년대 에드워드 신지와 알버트 아인슈타인은 빛의 파장보다 작은 금속 막대 구멍에 빛을 통과시켜 공간적으로 빛을 제한할 수 있다는 가설을 제안했고, 이러한 가설이 구현된 것은 1990년대에서 가능했다.
그러나 빛을 인간의 머리카락 직경보다 수천에서 수만 배가 작은 구멍으로 통과시키는 일은 결코 쉬운 일이 아니다. 실제로 광자나 가벼운 입자는 몇백만 분의 1의 확률로 이 작은 구멍들을 통과해 물체에 도달한다. 이토록 희박한 확률로 물체에 도달한 빛이 시각화 될 수 있는 신호로 되돌아오는 것을 기대하기란 거의 불가능한 꿈같은 것이었다.
김 박사의 이번 연구 결과는 이러한 기존 나노현미경을 획기적으로 보완한 것으로 기존 나노현미경은 백만분의 1의 확률로 빛이 탐침(probe) 끝에 도달한 것에 비해 김 박사팀이 개발한 나노현미경은 2분의 1의 효율로 광자를 탐침 끝에 도달시킬 수 있다. 이렇게 탐침에서 생성된 정보는 다시 탐침을 통해 수집도 가능하다.
김 박사는 이러한 고효율 나노선/광섬유 탐침을 이용해 분자의 진동 주파수를 측정해 분자의 화학결합을 분석했다. 쉽게 말해 영화 ‘해리포터’의 마법 지팡이처럼 은 나노선으로 구성된 나노현미경의 탐침을 물체에 가리키면 물체의 분자 구조가 고해상도로 보이게 되는 것이다.
이번 연구 성과는 앞으로 나노 과학 연구에 초석이 될 수 있는 강력한 분석 도구로 사용될 수 있기 때문에 세계의 학계가 더욱 주목하고 있다. 일례로 수 나노미터 크기의 촉매의 경우 그 크기가 너무 작아 촉매 활성면이나 촉매 반응의 메커니즘을 분석하는 데 많은 어려움이 있었는데, 이번에 개발된 기술을 활용하면 이를 해결할 수 있을 것으로 기대된다.
미국 국립과학재단 린해 부국장은 “이번에 개발된 나노현미경은 앞으로 재료연구 뿐 아니라 생물 연구와 같은 광범위한 분야에까지 널리 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.
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