원자가 결합하여 분자가 되는 과정을 동영상으로 촬영하는 데 성공

탄소나노튜브에서 2개의 레늄원자가 결합하는 모습을 촬영한 영상. / Credit : University of Nottingham

• 아주 작은 스케일에서 일어나는 원자가 결합하는 모습의 촬영에 성공했다
• 실험은 탄소나노튜브에 잡힌 2개의 금속원자를 사용하여 이루어졌다
• 동영상에서는 원자가 거리에 따라 일단은 구조를 절단하지만, 다시 결합하여 분자로 안정되는 과정을 확인할 수 있다.

카본튜브 내의 레늄분자의 이미지 / Credit : University of Nottingham

이 세상에 존재하는 모든 물질은 원자의 결합에 의해 이루어져 있습니다. 끈적끈적 늘어나는 점액도 반들반들과 경질금속도 원자가 어떻게 결합했는지에 따라 만들어진 것입니다. 현대의 원자론이 등장한 것은 16세기경으로 알려져 있지만, 양자이론이 등장하기 시작한 20세기 초반까지도 많은 물리학자는 물질이 원자로 되어있다는 생각에 회의적이었습니다. 모든 원자는 너무 작아서 볼 수 없었기 때문입니다.
그러나 현대기술은 전자현미경을 사용해서 원자를 볼 수 있습니다. 그리고 새로운 연구에서는 머리카락 너비의 50만분의 1이라는 스케일에서 일어나는 원자들이 결합하여 분자를 구성하는 과정의 촬영에 사상 처음으로 성공했습니다.

이 연구논문은 독일의 울름대학 Ute Kaiser 교수와 영국 노팅엄대학의 Andrei Khlobystov 교수를 중심으로 한 국제연구팀에서 발표되어 과학저널 'Science Advance'에 1월 17일 게재되었습니다

극단적으로 작은 세계

이번 연구과제는 화학결합의 길이가 0.1-0.3나노미터(나노는 10억분의 1)라는 원자쌍을 촬영하는 작업이었습니다. 일반적인 광학현미경은 가시광선을 사용하여 물체를 보지만, 가시광선은 원자보다 파장이 길어서 너무 작은 것에는 간섭할 수 없어 볼 수 없습니다.

그래서 등장한 것이 전자현미경입니다. 전자는 가시광선보다 훨씬 파장이 짧아서 원자 간의 틈새까지 볼 수 있습니다. 가시광선보다 파장이 짧은 X선은 단파장의 빛이 매우 에너지가 높아서 관찰대상에 영향을 주지 않고 볼 수 없었습니다. 또한 X선은 렌즈로 굴절시키기 어렵다는 것도 문제 중 하나입니다. 현미경은 당연히 렌즈가 필요합니다. 전자라면 자력을 이용한 렌즈로 쉽게 굴절시킬 수 있어서 현미경의 사용에 적합합니다.

이번에 사용된 것은 투과형 전자현미경 (TEM)라는 유형입니다. 이것은 그림자처럼 전자를 투과시켜 그 투영을 볼 수 있는 타입의 현미경입니다.

Credit : Jubobroff , Wikipedia Commons

촬영된 것은 레늄(원자번호 75번, Re)의 원자로 희귀금속의 일종입니다. 원자번호가 큰 무거운 금속이 사용된 이유는 가벼운 원소보다 TEM으로 관찰이 쉽기 때문입니다. 실제로 영상에서 레늄은 주위의 카본튜브의 탄소보다 명확하게 검은 그림자로 식별할 수 있습니다. 그리고 직경 1나노미터 정도의 탄소나노튜브를 이용하여 원자와 분자의 움직임을 제한하고 정확한 위치를 파악하여 촬영하는 것이 가능하게 되었습니다.

원자의 결합 및 이산

탄소나노튜브에서 2개의 레늄원자가 결합하는 모습을 촬영한 영상. / Credit : University of Nottingham

연구팀은 전자빔을 원자의 위치확인 및 영상화에 사용했을 뿐만 아니라 원자에 에너지를 주어 화학반응을 활성화시켰습니다.

이번 결합하는 원자의 촬영은 연구팀이 지금까지의 연구에서 쌓아온 풍부한 전자빔 기술에 의해 이루어지고 있습니다.

원자를 촬영하는 것 자체는 지금까지도 이루어져 왔습니다. 이번 연구에서 중요한 점은 실시간으로 시간과 공간적인 연속성을 유지하면서 그 모습을 촬영했다는 데 있습니다.

동영상에는 원자 사이의 결합의 모습이 선명하게 찍혀 있습니다. 원자가 이동하면서 결합장을 변화시키고, 주위의 환경에 따라 결합이 강해지거나 약해지거나 합니다.

A의 빨간색 테두리의 상태를 색상으로 강조한 이미지와 Re원자의 상태 / Credit : Kechen get al., 2020 / DOI : 10.1126 / sciadv.aay5849

여기에서는 Re원자가 결합한 후 진동하면서 타원형으로 왜곡된 후 결합을 늘리고 있습니다. 결합장이 각각의 원자반경의 합계를 초과하면 결합이 끊어져 진동이 멈추고 서로 독립적인 원자가 되지만, 그 거리가 가까워지면 결합하여 Re2분자를 형성합니다.

원자끼리 붙어 분자를 형성하는 이유는 원자의 최외각에 있는 전자가 남아돌아 불안정해지기 때문입니다. 원자는 에너지가 낮은 전기적으로 중성인 안정된 상태를 선호합니다.

원자의 결합은 최외각의 전자가 어떤 궤도에 몇 개가 남아있는지에 따라 결합방식이 달라집니다. 질소는 3개의 전자가 각각 남아있어 3중결합을 일으킵니다.

이번 연구에서 사용된 레늄은 전이금속으로, 이 결합에 관여하는 전자의 수가 상황에 따라 변화해버려, 단일결합부터 5중결합까지 일으킬 수 있는 조금 특별한 원소입니다.

이러한 원소의 결합은 특히 이해가 어렵습니다. 이번에 촬영된 영상은 레늄원자의 4중결합으로, 이런 과정을 시각적으로 관찰하는 것을 통해 결합을 이해하기 위한 중요한 새로운 통찰력을 제공합니다.