KAIST(총장 서남표)는 신소재공학과 이정용 교수 연구팀이 그래핀을 이용해 액체 내에서 성장하는 결정을 원자단위로 분석하는 원천기술을 개발하는데 성공했다고 6일 밝혔다.

이번 연구 결과는 세계적 학술지 사이언스(Science) 4월호 6일자 온라인판에 실렸다.

이 기술은 액체가 고체로 결정화되는 메커니즘을 확인할 수 있어 ▲나노 크기의 재료 제조 ▲전지 내에서 전해질과 전극 사이의 반응 ▲액체 내에서의 각종 촉매 반응 ▲혈액 속 바이러스 분석 ▲몸속 결석의 형성과정 등 다양한 분야에 폭넓게 활용될 수 있다.

특히 냉동인간 해동과정에서 얼음의 재결정화로 세포가 파괴되는 현상을 분석, 결빙현상을 막아주는 해동기술에 적용할 수 있어 앞으로 냉동인간의 부활에도 도움이 될 것으로 기대된다.

KAIST에 따르면 투과전자현미경은 0.004nm(나노미터) 수준의 매우 짧은 파장의 전자빔을 이용하기 때문에 가시광선을 이용하는 광학현미경 보다 약 1000배 높은 분해능을 갖고 있어 계면의 결정구조와 격자결함 등 원자단위까지 분석이 가능하다.

하지만 투과전자현미경은 10-2~10-4기압(atm)의 고진공상태에서 사용하기 때문에 액체는 고정이 되지 않고 즉시 공중으로 분해돼 관찰할 수 없었고 액체를 수백 나노미터(nm) 이하로 얇게 만드는 것은 매우 어려웠다.

이 교수 연구팀은 이번 연구에서 신소재인 그래핀을 이용, 수백 나노미터 두께로 액체를 가두는 데 성공해 이러한 문제들을 해결했다.

탄소원자들이 육각 벌집모양의 한 층으로 이뤄진 그래핀은 두께가 0.34nm로 지금까지 합성할 수 있는 물질 들 중 가장 얇은 물질로 알려져 있다.

그래핀으로 나노미터 크기의 결정이 담긴 액체를 감싸면 투과전자현미경 안에서 그래핀이 투명하게 보이고 액체를 감싸고 있는 그래핀은 강도가 매우 뛰어나 고진공 환경에서도 액체를 고정시킬 수 있다.

연구팀은 투명한 유리 어항에 담긴 물속의 물고기들을 눈으로 볼 수 있는 것처럼 투명한 그래핀을 이용해 액체를 담아 그 속에 있는 결정들을 원자단위에서 관찰 할 수 있다고 설명했다.

이 박사팀은 이를 이용해 세계 최초로 액체 안에서 원자단위로 백금 결정들이 초기 형성되는 것과 성장과정을 관찰하는 데 성공했다.

이정용 교수는 "이번 연구 결과는 그동안 베일에 싸였던 액체 속에서 일어나는 많은 과학현상들을 원자단위로 규명할 수 있는 원천기술로 평가받고 있다"며 "사람의 혈액 속에서 일어나는 유기물이나 무기물의 반응들까지도 규명할 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.

한편 이번 연구는 이정용 교수의 지도아래 육종민씨(제1저자)의 박사학위 논문으로 미국 UC버클리대 알리비사토스 교수, 제틀 교수와 공동으로 수행했다.