[데일리포스트=김정은 기자] 지난 1월 22일, 일본 도쿄대학대학원 나카무라 에이이치(中村栄一) 교수 연구팀이 결정이 완성되는 순간을 촬영하는데 성공했다고 발표했다.
균일한 용액에서 고체의 결정이 생성되는 '결정화'(crystallization)는 의약 및 재료 등 다양한 분야에서 필수적인 기술이다.
지금까지 연구로 결정의 원자 배열 등 구조는 밝혀진 반면, 결정화 현상의 초기 과정인 '핵생성'은 기존 실험방법으로는 해석이 어려웠다. 시뮬레이션 등에 의한 이론연구 등을 통해 연구가 이루어졌지만, 결정적인 성과는 얻을 수 없었다.
나카무라 교수 연구팀은 원자 하나하나를 구분해 관찰 가능한 '원자 수준의 분해능을 가진 투과 전자현미경'을 이용해 분석함으로써 결정화 순간과 성장 과정을 영상으로 담는데 성공했다.
이번 연구는 화학 분야의 국제 학술지 '미국화학회지(JACS : Journal of the American Chemical Society)'에 게재됐다.
연구팀은 염화나트륨(NaCl) 수용액을 원뿔형 카본나노튜브(CNT)에 내포시킨 후 건조 과정을 통해 물을 제거함으로써, CNT 내부의 NaCl이 진공 하에서 결정화되는 모습을 촬영했다. 이 촬영은 원뿔이라는 특수한 형상이 CNT 선단에서 NaCl의 핵생성을 유도하고 CNT의 나노미터 크기 내부공간이 분자 확산을 억제함으로써 가능해진다.
아래는 NaCl 결정화 과정을 촬영한 동영상이다. CNT 선단에서 1나노미터(nm) 크기의 NaCl 결정핵이 반복적으로 생성되는 모습을 확인할 수 있다.
또 이번 연구에서 결정화 이전의 분자집합체가 유동적으로 구조를 변화시키면서 무질서한 구조와 결정과 유사한 질서 구조를 오간다는 점도 확인돼, 핵형성 과정에서 분자집합체의 크기뿐만 아니라 그 구조역학이 중요한 역할을 한다는 것을 확인했다고 연구팀은 설명했다.
핵형성에 걸리는 시간은 매회 2초~10초이며, 적절한 공간 설계를 통해 제어가 어려운 핵형성 과정을 원자 수준에서 정밀 제어가 가능하다는 것을 시사하는 것이다.
연구팀은 "원하는 형태 및 성질을 가진 신소재를 분자 수준의 관찰을 바탕으로 설계·개발하는 등 혁신적인 분자기술 응용이 기대된다"고 전망했다.