국내 연구자들이 일했다 … 결정 핵 탄생 순간 세계 최초 관측

한국 연구자들은 세계 최초의 핵 과정 관찰에 성공했습니다.

기초 과학 연구원 (IBS) 나노 입자 연구 센터 연구 위원 박정원 (서울 대학교 화학 생물 공학과 교수)은 29 일 원자가 모여 결정을 형성하는 ‘핵 생성’과정을 관찰합니다.

기초 과학 연구소 연구팀, 한양 대학교 에리카 캠퍼스 이원철 교수 팀, 미국 로렌스 버클리 국립 연구소 (LBNL)가 공동으로 수행 한 연구 결과는 같은 곳에 게재됐다. 세계적으로 유명한 저널 ‘과학’의 날.

이 논문은 ‘원자 결정 핵 생성의 가역적 장애-순서 전이’라는 제목으로 학술계에서 오랫동안 도전해온 핵 생성 원리를 제안한 것으로 인정 받았다.

원자의 크기는 수 옹스트롬 (Å · 100 억분의 1 미터) 정도로 작고 밀리 초 (ms · 1000 분의 1 초)로 빠르게 이동하기 때문에 기존 기술로는 핵 생성 과정을 직접 관찰하기가 어렵습니다. 핵 형성 메커니즘을 설명하는 몇 가지 이론이 나타 났지만 실험을 통해 증명하는 데에는 한계가있었습니다.

협력자들은 원자 수준에서 실시간으로 핵 생성 과정을 관찰하는 실험을 설계했습니다. 먼저 원자 1 개 두께의 얇은 그래 핀 필름에 전자빔을 받으면 금 원자를 방출하는 나노 물질을 합성했다.

이후 합성 된 표본은 미국 로렌스 버클리 국립 연구소가 보유한 세계 최고 성능의 투과 전자 현미경 (TEM)으로 관찰하였으며, 금 결정 형성 과정을 실시간으로 관찰 하였다.

투과 전자 현미경에서 전자빔을받은 후 방출 된 금 원자는 그래픽 필름에 모여 나노 결정을 형성한다. 관찰 결과, 원자들은 안정된 핵이 형성 될 때까지 무작위로 군집 된 덩어리 구조 (비정질상)와 규칙적으로 배열 된 결정 구조 (결정상)의 두 상태를 가역적으로 반복하는 것을 확인했습니다.

그 후 결정 핵의 크기가 커짐에 따라 가역적 반응은 비가역 적이되었습니다. 이것은 결정 핵이 처음부터 규칙적으로 정렬 된 결정상에서 성장한다는 전통적인 핵 형성 이론과 상반됩니다.

또한 연구원들은 결정 핵의 크기가 커짐에 따라 결정 상태에 머무를 확률이 증가 함을 확인했습니다. 직경이 약 1nm 일 때는 10 % 확률로 결정상을 가지지 만, 직경이 약 2nm를 초과하면 90 % 이상의 확률로 결정상으로 존재한다. 즉, 처음에는 대부분 무정형이었던 결정 핵이 성장하여 최종적으로 결정 상태를 형성합니다.

또한 연구진은 결정 핵이 결정상에 더 오래 머무를수록 나노 결정이 더 많이 형성된다는 사실도 확인했다. 예를 들어, 면적이 2nm² 인 나노 결정이 형성되면 절반의 시간 동안 만 결정상 형태 였지만, 면적이 4nm² 인 나노 결정이 형성되면 핵이 존재했습니다. 대부분의 경우 결정상의 형태입니다.

박정원 연구원은 “핵 생성 과정의 새로운 원리를 발견하고 실험적으로 실험했다. 여러 원자가 모여있는 초기 단계에서 결정상과 비정질상 사이를 오가는 데 필요한 에너지는 다음과 같다. 작기 때문에 두 상태가 반복됩니다. ” 설명했다.

이원철 교수는“박막 증착 공정의 초기 상태를 실험적으로 재현하는 데 성공했다”고 말했다.

이 연구에서 삼성 전자는(82,000 -2.03 %)삼성 미래 기술 진흥 사업을 통해 기여했습니다. 삼성 미래 기술 진흥 사업은 2013 년부터 10 년간 1 조 5000 억원을 기부했으며, 기초 과학, 재료 기술, 정보 통신 기술 (ICT) 등 연구 분야에 연 3 회 (상 · 하반기 무료 공모) 연 1 회 지정 테마). 프로젝트를 선정하고 지원하는 공익 사업입니다.

강경주 기자 [email protected]