일본의 연구자가 세계 최초로 결정이 완성되는 순간의 촬영에 성공

2021년 1월 22일, 도쿄대학 대학원의 나카무라 에이이치 특별 교수등의 그룹이 지금까지 난관으로 여겨져 온 결정이 완성되는 순간의 촬영에 성공 했다고 발표했습니다.

균일한 용액에서 고체 결정이 생성되는 결정화는 의약이나 재료 등 다양한 분야에서 필수적인 기술이 됩니다.

그러나 지금까지 결정중인 원자배열 등의 구조가 밝혀져 온 반면 결정화 현상의 최초의 당시 과정인 핵생성은 기존의 실험방법에 따른 해석이 어려워 시뮬레이션 등에 의한 이론연구 등에서 연구가 진행돼 왔지만 결정적인 성과를 얻지 못했다는 것입니다.

이번에 나카무라 교수팀은 원자 하나하나를 구별해 관찰 가능한 '원자분해능 투과전자현미경'이라는 특수 전자현미경을 이용해 관찰하며 결정화 순간과 성장 과정을 영상안에 담는 데 성공했습니다.

나카무라 교수팀들은 염화나트륨 수용액을 원뿔 모양의 카본나노튜브(CNT)에 내포하여 건조를 통해 물을 제거함으로써 CNT 내부의 NaCl이 진공 하에서 결정화되는 모습을 촬영하였습니다.

이 촬영은 원뿔의 특수한 CNT형상이 NaCl 핵 생성을 유도했고 CNT 내부라는 나노미터 크기의 공간이 분자 확산을 억제함으로써 성공했다는 것.

아래는 촬영된 영상으로 CNT의 끝단에 1나노미터 크기의 NaCl 결정핵이 반복하여 생성되고 있는 것을 볼 수 있습니다.

https://youtu.be/SK6PCPVPja8

또한 이번 연구에서 결정화 이전의 분자 집합체가 유동적으로 구조를 변화시키면서 무질서한 구조와 결정과유사한 질서있는 구조를 넘나드는 것으로 밝혀져 핵 형성 과정에서 분자 집합체의 크기뿐만 아니라 그 구조 역동성이 중요한 역할을 할 수 있음을 시사하고 있다고 연구진은 말하고 있습니다

핵형성에 걸리는 시간은 매회 2초~10초로 재현성이 있으며 '적절한 공간을 설계하는 것으로, 제어하기 어렵다고 여겨져 온 핵형성 과정을 원자 레벨에서 정밀하게 제어하는 것이 가능함을 나타내는 것이며, 결정 사이즈나 결정 다형 제어 수법으로서의 전개가 예측된다'라는 것.

원하는 형상이나 성질을 갖는 신재료를 분자 차원에서의 관찰을 바탕으로 설계하고 개발하는 혁신적인 분자기술로의 응용이 기대된다'고 말하고 있습니다.


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