이정용 교수 (KAIST)

전자현미경은 고분해능으로 인해 재료공학, 생물학, 의학 등 여러 분야의 연구 및 분석에 많이 응용되고 있지만, 이제까지 전자현미경 속에서 관찰할 수 있었던 것은 고체뿐이었고, 액체 그 자체는 물론이고 액체를 포함하는 시료들을 관찰하는 것이 거의 불가능하였다. 이것은 전자현미경에서는 전자가 공기 중의 원자들에 의해 산란을 하게 됨에 따라 전자현미경내에서 전자 빔이 지나가는 길은 모두 진공으로 유지하는데, 액체를 포함하고 있는 시료는 전자현미경 속의 고진공 속에서 액체가 전부 증발해 버리기 때문에 특별한 장치를 사용하지 않으면 액체 시료를 관찰 할 수가 없었기 때문이다. 따라서 액체가 들어 있는 시료는 건조로 액체를 제거하거나 액체를 얼음과 같은 고체로 만들어 관찰해야만 했다. 액체에서 나노재료의 합성이나, 전기화학 및 촉매반응은 대개 액체를 포함하는 반응이고, 인체, 동식물 등은 모두 물을 포함하고 있다. 따라서 이들에서 일어나는 현상을 관찰하기 위해서는 액체를 포함하고 있는 시편을 전자현미경으로 관찰할 수 있는 기술의 개발이 꼭 필요하다.
이번에 한국과학기술원의 이정용교수팀은 미국 로렌스버클리국립연구소의 앨리비사토스 및 제틀 교수팀과 공동으로 세계 최초로 액체 시료 내에서 일어나는 현상을 전자현미경으로 원자 규모로 관찰할 수 있는 기술 개발에 성공하였다. 그래핀 층과 그래핀 층 사이에 금이 작은 입자의 형태로 들어 있는 경우 금의 녹는점 이상으로 가열하여도 진공 속에서 그래핀 층 사이에 액체 상태로 유지되면서 그래핀에 의해 밀봉되는 것에 착안하여, 이를 액체 전자현미경 시편을 제작하는 데 응용하였다. 두 개의 투과전자현미경 그리드위에 화학기상증착 법으로 성장시킨 그래핀을 직접 천이 방법으로 옮긴 다음, 그래핀이 마주보게 겹쳐놓은 후 관찰하고자 하는 액체 시료를 떨어뜨렸다. 이 액체 시료로는 백금 전구체가 담긴 콜로이드 용액을 사용하였다. 여분의 용액을 피펫으로 제거하면, 용액이 남지 않는 부분은 그래핀 사이에 결합이 형성되고, 남은 용액은 그래핀으로 밀봉이 되었다. 이와 같이 비교적 쉬운 방법으로 금 입자 대신 액체 시료인 백금 전구체가 담긴 콜로이드 용액을 그래핀과 그래핀 층 사이에 밀봉하는 데 세계 최초로 성공하였다.
이렇게 제작한 그래핀 액상 셀을 이용하여 백금 나노입자의 초기 형성 및 성장 과정을 원자 단위에서 실시간으로 관찰하였다. 그래핀 액상 셀에 가두어진 백금 성장 용액에 전자 빔을 조사함으로써 액체 내에서 결정화가 일어나는 나노 결정들을 실시간으로 선명하게 관찰할 수 있었는데, 액체 시료 내에서 나노 결정들의 원자의 배열을 세계 최초로 실시간으로 관찰했다. 액체 내에 나노 결정들이 활발히 움직이고 있는 모습을 관찰할 수 있었고, 나노 결정들이 움직이면 서로 충돌하여 어떤 것들은 자라고 어떤 것들은 자라지 않았다.
그 동안 나노입자 성장 시 두 가지 이론이 보고되어져 있었는데, 본 연구에서는 두 이론 중에서 서로 방향이 일치하는 나노입자들만이 충돌하여 융합한다는 이론이 맞다라는 것을 실제로 관찰 및 증명하였다.    

즉, 두 개의 나노 입자의 {111} 면이 서로 평행할 때만 서로 결합을 하여    큰 입자로 성장하고 일치하지 않을 때는 성장하지 못한다는 것이다.
본 연구로 인해 그 동안  고체의 원자 단위 분석만이 가능했던 전자현미경   분야에서, 액체(또는 기체) 그 자체 또는 액체(또는 기체)를 포함하는  시료를 주사전자현미경 또는 투과전자현미경으로 원자단위에서 실시간으로   분석할 수 있는 액체(또는 기체)전자현미경이라는 새로운 분야를 열었다고   볼 수 있다. 지금까지 나노결정 즉, 나노고체가 많이 연구되어 왔는데, 본    연구에서 나노 크기의 액체(또는 기체)를 그래핀으로 밀봉하여, 나노액체(또는 기체)를 제작하는 새로운 방법을 제시하였다. 이와 같이      나노액체 또는 기체를 제작하는 새로운 방법을 제시하고 이들을   전자현미경으로 분석할 수 있는 길을 열었기 때문에 나노액체(또는 나노기체)라는 새로운 학문 분야를 열었다고 볼 수 있다.

(J.M. Yuk, et al., High-resolution EM of colloidal nanocrystal growth using graphene liquid cells,” Science, 336(61), 6077)