눈을 한번 깜빡이는 시간 평균 0.3초. 이 시간 동안 과학 세상에선 어떤 일이 일어날까? 물질을 구성하는 기본 단위인 원자는 다른 원자들과 뭉쳐 분자가 되고, 또 다른 곳에선 마이크로 로봇이 탄생하기도 하지.
탄생의 순간 ① 찰나의 순간 결정핵 탄생!
눈은 아주 작은 얼음 입자를 중심으로 수증기가 규칙적으로 붙어 결정으로 성장해요. 이처럼 결정이 만들어지기 위해서는 기초가 되는 작은 입자인 ‘결정핵’ 생성 과정이 중요한데, 워낙 순식간에 일어나기 때문에 관찰하기 힘들었어요. 그런데 지난 1월, 기초과학연구원 나노입자연구단 박정원 연구위원이 이끈 공동연구팀이 결정핵이 만들어지고 성장하는 과정을 처음으로 관찰하는 데 성공했어요.
연구팀은 원자의 움직임을 자세히 관찰하기 위해, 레이저를 맞으면 금 원자를 하나씩 내보내는 물질을 만들었어요. 이후 투과전자현미경으로 원자들이 어떻게 뭉쳐서 결정핵이 되는지 관찰했지요. 그 결과 원자 20~30개가 모여 무질서하게 뭉쳤다가 이후 나란히 줄 맞춰 정렬하고, 다시 무질서하게 뭉쳤어요. 그리고 이 과정을 여러 번 반복하며 최종적으로는 규칙적인 구조인 결정핵으로 성장한다는 사실을 확인했습니다. 원자들이 처음부터 규칙적인 상태를 이룬다고 알려진 기존의 이론과 완전히 다른 결과지요.
박정원 교수는 “결정핵 생성 과정이 어떻게 진행되는지에 따라 금 원자는 금덩어리나 금 박막 등 다양한 형태의 물질이 될 수 있다”며, “앞으로 다양한 결정 물질들이 초기에 어떻게 만들어지는지 연구하는 데 단서를 제공할 수 있을 것”이라고 전했어요.
▲ PDF에서 고화질로 확인할 수 있습니다.
탄생의 순간 ② 원자, 분자가 되는 시간 400펨토초!
분자의 탄생 순간도 포착됐어요. 물질을 구성하는 최소 단위인 분자는 원자 여러 개가 결합해 만들어져요. 이 과정은 수 fs 만큼 순식간에 일어나죠. 지난해 6월 기초과학연구원 나노물질 연구단 이효철 부연구단장팀은 분자가 탄생하는 순간을 실시간으로 관찰하는 데 성공했어요.
연구진은 흩어져 있는 금 원자 세 개에 레이저를 쏜 뒤, 이 과정을 들여다봤어요. 그 결과 원자 두 개가 먼저 결합하고, 이후 나머지 하나가 붙어 분자가 완성됐어요. 또 원자들이 서로 거리를 늘렸다가 줄였다 하며 진동 운동 한다는 사실도 확인했어요. 연구에 참여한 김종구 선임연구원은 “이번 연구 결과는 화학반응 전 과정의 원자의 움직임을 세계 최초로 관찰한 데 의미가 있다”고 말했어요.
100펨토초 만에 탄생! 마이크로 로봇
대구경북과학기술원(DGIST) 로봇공학과 최홍수 교수팀이 액체 괴물처럼 끈적한 점성을 갖는 폴리머 액체에 100fs(펨토초. 1000조분의 1초) 정도의 짧은 순간 레이저를 쏘아 마이크로 로봇을 만들었어요. 100fs 동안 레이저와 접촉한 폴리머 액체는 열에 의해 단단해져요. 이 과정을 반복해서 미세한 구멍이 많으면서도 단단한 마이크로 로봇을 완성했지요. 최홍수 교수는 “3D프린터로 만들 수 없는 미세한 구조를 만들 수 있는 것이 큰 장점”이라며, “구멍에 약을 담아 몸속 원하는 부위에 전달하는 데 활용할 것으로 기대한다”고 설명했어요.
