전북대학교 공학도 출신이 미지의 나노 세계를 가시광선을 이용해 시각화 할 수 있는 새로운 기술을 개발해 세계 학계서 큰 주목을 받았다.

그 주인공은 전북대 화학공학과를 졸업하고, 미국 리버사이드 캘리포니아대학(UCR)에서 박사 학위를 받은 후 연구원으로 재직중인 김상곤 박사(38).

김 박사는 같은 대학 엔루슈(Ruoxue Yan) 부교수와 리우밍(Ming Liu) 부교수 등의 지도하에 이제까지 유례가 없는 높은 효율로 양자영역으로 빛을 통과시킬 수 있는 새로운 기술에 대한 논문을 세계 최고 저널인 ‘네이처 포토닉스(Nature Photonics·IF37.852)’ 최신호에 게재했다.

이 나노현미경은 가시광선을 나노 크기로 축소해 분자와의 상호작용 일으킨 후 이후 나오게 되는 분자의 진동을 다시 판독 할 수 있는 정보로 되돌려 보냄으로 나노 세계를 시각화 할 수 있다.

1920년대 에드워드 신지와 알버트 아인슈타인은 빛의 파장보다 작은 금속 막대 구멍에 빛을 통과시켜 공간적으로 빛을 제한할 수 있다는 가설을 제안했고, 이러한 가설이 구현된 것은 1990년대에서 가능했다.

하지만 빛을 인간의 머리카락 직경보다 수천에서 수만 배가 작은 구멍으로 통과시키는 일은 결코 쉬운 일이 아니다.

실제로 광자나 가벼운 입자는 몇 백만 분의 1의 확률로 이 작은 구멍들을 통과해 물체에 도달한다.

이토록 희박한 확률로 물체에 도달한 빛이 시각화 될 수 있는 신호로 되돌아오는 것을 기대하기란 거의 불가능한 꿈같은 것이었다.

김 박사의 이번 연구 결과는 이러한 기존 나노현미경을 획기적으로 보완한 것이다.

기존 나노현미경은 백만분의 1의 확률로 빛이 탐침(probe) 끝에 도달한 것에 비해 김 박사팀이 개발한 나노현미경은 2분의 1의 효율로 광자를 탐침 끝에 도달시킬 수 있다.

이렇게 탐침에서 생성된 정보는 다시 탐침을 통해 수집도 가능하다.

김 박사는 이러한 고효율 나노선/광섬유 탐침을 이용해 분자의 진동 주파수를 측정해 분자의 화학결합을 분석했다.

쉽게 말해 영화 ‘해리포터’의 마법 지팡이처럼 은 나노선으로 구성된 나노현미경의 탐침을 물체에 가리키면 물체의 분자 구조가 고해상도로 보이게 되는 것이다.

이번 연구 성과는 앞으로 나노 과학 연구에 초석이 될 수 있는 강력한 분석 도구로 사용될 수 있기 때문에 세계 학계서 재조명을 받고 있다.

일례로 수 나노미터 크기의 촉매의 경우 그 크기가 너무 작아 촉매 활성면이나 촉매 반응의 메커니즘을 분석하는 데 많은 어려움이 있었는데, 이번에 개발된 기술을 활용하면 이를 해결할 수 있을 것으로 기대된다.

미국 국립과학재단 린해 부국장은 “이번에 개발된 나노현미경은 앞으로 재료 연구뿐 아니라 생물 연구와 같은 광범위한 분야에까지 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

/정병창기자 woojuchang@