맥길 대학(McGill University) 연구진이 “스마트 소재”인 바나듐 산화물(VO2)이 눈 깜박임보다 1조 배나 더 빠른 시간 규모 동안에 반도체에서 금속으로 전이되는 과정에서, 원자 위치와 전자 분포의 재구성을 동시에 관찰하는데 성공했다. Sicence에 발표된 연구 논문에서는, 이 실험이 엄청나게 빠른 과정에서 일어나는 전자의 재배치로부터 물질의 원자 격자 구조의 변화를 처음으로 구별할 수 있다고 밝혔다. 이 측정은 맥길 대학 연구진이 개발한 장비 덕분에 성취될 수 있었다고 연구진은 밝혔다. 다양한 분야의 과학자들에 의해 사용될 수 있는 이 장비는 화학적 반응 동안 순식간에 일어나는 중요한 전이를 관찰하거나, 또는 생물학자들이 원자 수준의 단백질 기능을 이해하는 데 도움을 줄 수 있다. 이 초고속 장비는 새로운 방식의 레이저 분광법을 가진 전자 현미경 기술과 도구가 결합한 것이다.

“우리가 개발한 이 장비와 접근 방법으로, 우리는 미세한 구조 물질의 화학적 과정을 재료 과학이나 응집 물질 물리, 그리고 생물학에서 기본이 되는 펨토초((1,000조분의 1초) 시간 단위로 관찰할 수 있다”고 캐나다 맥길 대학의 초고속 과학 연구원인 Bradley Siwick이 말했다. “우리는 핵이 어디로 가는지, 또한, 전자로부터 분리되는 과정 모두를 관찰할 수 있다. 그리고 그 밖에, 그러한 구조적 변화가 물질의 속성에 미치는 영향이 무엇인지를 우리는 밝힐 수 있다. 이것이 정말로 기술적으로 중요한 것”이라고 맥길대학 화학 및 물리학부 조교수인 Siwick이 말했다.

이러한 최근의 발전을 활용함으로써, 연구진은 응집 물질 물리가 가진 오랜 문제를 새롭게 재조명하였다. 바나듐 이산화물(Vanadium dioxide)에서의 반도체-금속 전이는 1950년대 말 이후 과학 분야에 강한 흥미를 불러일으켰다. 이 물질은 낮은 온도에서는 반도체의 역할을 하지만, 온도가 약 섭씨 60도(실온보다 그다지 따뜻하지 않다.) 정도로 상승하면, 높은 전도성의 금속으로 변환한다. 이러한 물질의 비정상적인 특성은 고속 광학 스위치에서부터 열에 민감한 창문용 코팅제에 이르기까지 다양한 범위의 응용 잠재력의 가능성을 높이고 있다.

맥길대학 화학 건물 지하에 있는 Siwick의 실험실에서 수행된 이 실험에서, 그와 연구진은 거의 4년 가까이 레이저의 복잡성이나 증폭기, 그리고 내부 설계나 자유 진동 강철 책상 위의 전자 현미경에 구축된 렌즈 등을 정렬하는 연구에 몰두하였다. 이 실험을 수행하기 위하여, 맥길대학 연구진은 몬트리올 밖의 대학 연구 센터인 INRS EMT의 Mohamed Chaker 연구진과 협업하였다. INRS 과학자들은 고품질의 매우 얇은 VO2 표본을 제공하였다. 이것의 두께는 약 70나노미터이며, 이는 인간 머리카락보다 1,000배나 더 작은 것으로, 초고속 전자 회절 측정을 위해 필요한 것이다. 이 회절 패턴은 물질 구조에 관한 원자 길이 규모의 스냅샷을 재배열 동안의 특정 순간에 제공한다. 그러한 일련의 스냅샷들이 결합하여, 효과적으로 마치 구식의 플립 북과 같은 영화를 만들어낸다. “이 기술은 미시적 세계의 새로운 장을 열었다. 우리는 이를 이용하여, 물질이나 분자 물리가 가진 많은 뛰어난 질문들에 답할 것이며, 또한, 많은 놀라운 것들을 발견해낼 것이다. 새로운 눈으로 보면, 새로운 방식의 많은 것들을 볼 기회가 올 것”이라고 Siwick이 말했다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』