원자 간 결합·분리, 세계 최초 촬영…국제 연구진, 영상 공개

머리카락 지름보다 50만 분의 1 수준으로 작은 원자들이 결합하는 모습을 과학자들이 처음으로 포착했다.

영국과 독일 공동연구진은 첨단 전자현미경 검사법을 사용해 ‘레늄’(Re)이라는 이름을 가진 원자 2개가 화학결합하는 모습을 영상으로 촬영하는데 성공했다고 밝혔다.

공개된 영상은 화면 왼쪽에서 검은색 구(球)처럼 보이는 레늄 원자 2개가 최소 0.1㎚에서 최대 0.3㎚의 거리를 두고 결합과 분리 그리고 다시 결합하는 모습을 보여준다.

원자는 물질을 구성하는 기본 입자다. 한 예로 숯이라는 물질을 잘게 부숴나가면 탄소 성질을 갖는 가장 작은 단위인 탄소 원자에 도달할 수 있다. 이처럼 모든 물질은 궁극적으로 원소 성질을 갖는 최소 단위로 구성되는데 이를 원자라 부른다.

연구를 주도한 독일 울름대 연구조교인 차오커청 박사는 “관찰에서 두 원자가 어떻게 쌍으로 움직이는지가 놀랍도록 분명하게 나타났다”면서 “영상은 두 원자의 결합을 분명하게 보여준다”고 말했다.

또 차오 박사는 “두 레늄 원소는 탄소 나노튜브 아래로 움직이면서 변하는 주위 환경에 따라 결합 길이가 변해 결합이 강해지고 약해지는 모습을 보여줬다”고 설명했다. 여기서 탄소 나노튜브는 나노 크기의 탄소로만 이루어진 관상(管狀) 물질을 말한다.

연구 보고서에 따르면, 원자의 결합과 분리 과정을 실시간으로 촬영한 것은 이번이 처음이다.

연구진은 지름 1~2㎚의 탄소 나노튜브에 한 쌍의 레늄 원자를 표본으로 집어넣고 투과전자현미경(TEM)을 가지고 전자빔을 투과해 그 이미지를 만들어낼 수 있었다.

연구에 참여한 영국 노팅엄대 나노재료학과 교수인 안드레이 홀비스토프 박사는 “나노튜브는 우리가 원자 또는 분자를 포획해 원하는 곳에 정확하게 위치하도록 돕는다”면서 “이 연구에서는 한쌍의 레늄 원자를 포획함으로써 레늄2(Re2)로 결합하도록 했다”고 설명했다. 이어 “레늄은 원자번호가 높아 가벼운 원자들보다 잘 보이지 않지만 TEM를 사용하면 각 금속 원자를 어두운 점으로 식별할 수 있다”고 덧붙였다.

연구진에 따르면, 원형의 두 레늄 원자가 일단 결합해 분자 형태(Re2)가 되면 타원형이 돼 원자 사이의 결합을 확장하는 것으로 보인다. 두 원자는 결국 분리돼 진동을 멈췄지만, 잠시 뒤 이들 원자는 다시 결합했다.

이에 대해 또다른 연구저자로 노팅엄대 박사후 연구조교인 스티븐 스코론 박사는 “실험에 도전한 이유는 레늄 같은 천이금속(최외각 궤도 안쪽에 전자의 빈 자리가 있는 원소)은 단일결합부터 5중결합까지 서로 다른 순서의 결합을 형성할 수 있기 때문”이라면서 “이 실험에서 우리는 두 레늄 원자가 주로 4중결합을 통해 결합해 천이금속 화학에 관한 새로운 기본적 이해를 제공한다는 것을 알 수 있었다”고 말했다. 이어 “금속원자 간 결합은 화학에서 특히 물질의 자기·전기·촉매 특성을 이해하는 데 매우 중요하다”고 덧붙였다.

자세한 연구 성과는 세계적 학술지 사이언스 자매지인 ‘사이언스 어드밴시스’ 최신호(17일자)에 실렸다.

윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr