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역대급 연구, X-ray로 원자 1개를 포착하다

by 지식의 신 2023. 7. 1.

초록색과-검은색이-섞인-배경에-원형의-모양과-선의-모양이-원자모습을-나타내고-있다

1. 원자란 무엇인가

단일 원자는 원소의 화학적 성질을 유지하는 물질의 최소 단위입니다. 원자는 아원자 입자, 즉 양성자, 중성자, 전자로 구성되어 있습니다. 양성자와 중성자는 중심에 위치한 원자핵에 존재하고 전자는 특정 에너지 수준이나 껍질에서 핵 주위를 돌고 있습니다. 원자의 몇 가지 중요한 특징을 알아보겠습니다.

  • 양성자 : 양성의 전하를 가지며 비교적 무거운 입자입니다. 각 양성자의 질량은 약 1 원자질량단위(AMU)입니다.
  • 중성자: 중성자는 중성 입자이며 전하가 없음을 의미합니다. 이것들은 또한 양성자의 질량과 비슷하게 비교적 무겁습니다.
  • 전자: 전자는 음으로 대전된 입자로 양성자나 중성자에 비해 질량이 현저히 작습니다. 이것들은 전자껍질 또는 에너지 준위라고 불리는 핵 주위의 영역을 차지하고 있습니다. 원자의 최외각은 원자가각으로 알려져 있으며, 화학적 행동을 결정합니다.
  • 원자 번호: 원자핵에서 양성자의 수는 원자 번호라고 불립니다. 요소의 정체성을 결정합니다. 예를 들어, 하나의 양성자를 가진 원자는 수소이고, 6개의 양성자를 가진 원자는 탄소입니다.
  • 질량수: 원자의 질량수는 원자핵에서 양성자와 중성자의 총수입니다. 예를 들어, 6개의 양성자와 6개의 중성자를 가진 탄소 원자의 질량 수는 12입니다.
  • 동위원소: 같은 원소의 원자는 다른 수의 중성자를 가질 수 있으며 결과적으로 다른 동위원소를 생성합니다. 동위원소는 같은 원자번호지만 질량번호가 다릅니다. 예를 들어 탄소-12와 탄소-14는 중성자 수가 다른 탄소의 두 동위원소입니다.
  • 전자 구성: 각 원자는 전자껍질 내에 고유한 전자 배열을 가지고 있습니다. 전자구성은 원자의 화학반응성과 결합거동을 결정합니다.
  • 상호작용: 원자는 다양한 종류의 화학결합을 통해 다른 원자와 상호작용할 수 있습니다. 이러한 상호작용에는 이온 결합, 공유 결합, 금속 결합이 포함됩니다. 원자가 결합하는 방법은 분자와 화합물의 형성을 결정합니다.

자연계에서 대부분의 원소는 단일 고립된 원자로 존재하지 않는다는 점에 주의하는 것이 중요합니다. 대신 그것들은 보통 다른 원자와 결합하여 분자 또는 더 큰 구조를 형성합니다. 그러나 과학 실험이나 특정 조건에서는 개별 원자를 관찰하고 조작하는 것은 가능합니다.

2. 단일 원자 포착

2023년 6월, 전 세계를 열광케 만들었습니다. 세계 최고의 저널 네이처에서 기재된 연구 결과입니다. '아토믹 파워' 자동차의 휘발유 파워보다 훨씬 강력한 원자의 힘이라고 네이처는 말을 이어 갔습니다. 엑스레이가 단일 원자의 특징을 포착해 냈습니다. 나노 카레이싱에 참여했던 과학자들이 이번에는 역사상 최초로 엑스레이를 이용하여 단 하나의 원자를 포착하는 것에 성공했습니다. 다시 언급해 드립니다. 단 하나의 원자를 포착하는 것에 성공했습니다. 원자 하나의 사이즈는 0.1 나노미터입니다. 얼마나 작냐면 머리카락 두께보다도 100만 배는 작습니다. 그런데 왜 이것을 보기 힘든가에 대한 답변은 너무 작기 때문입니다. 무엇을 보려면 빛을 쏴야 합니다. 그런데 이 원자들은 너무 작다 보니 빛을 쏘는 순간 움직여 버립니다. 그래서 공학자들은 아주 작은 것들을 보기 위해서 SEM이라던가 TEM이라든가 이런 것들을 사용을 했고, 재료 과학자들은 물질의 특징이라든가 구조를 알려고 엑스레이를 사용했습니다. 하지만 지금까지 엑스레이는 원자가 1만 개는 모여 있어야 확인이 가능했었습니다. 쉽게 생각해서 숟가락으로 밥을 펐는데 최소 1만 개의 쌀이 퍼졌다고 생각하시면 됩니다. 나노 쌀알 딱 한 개를 자세하게 관찰하고 싶은데 어떻게 해도 밥을 퍼면 적어도 1만 개의 쌀알이 퍼졌던 것입니다. 그런데 이번에 이 숟가락으로 쌀알을 딱 하나 퍼내는 것에 성공했다고 생각하시면 됩니다. 정말 대단한 것입니다. 지금까지는 1만 개가 최소단위였는데 이번에는 단일 원자를 포착을 해낸 것입니다. 이 놀라운 결과는 곧바로 네이처의 표준 논문이 되었고, 무려 1만 5천 번의 조회수를 기록했습니다. 과학자들한테는 이번 연구가 비티에스의 신곡이나 다름없었던 것입니다.

3. 연구의의

1895년 뢴트겐에 의해 엑스레이가 개발된 이후로 엑스레이는 재료과학부터 의학까지 거의 대부분의 과학에 사용이 되고 있습니다. 물론 과학 연구에서도 볼 수 있듯이 특수 현미경 장비들로 원자들을 이미지화할 수 있습니다. 영상으로도 촬영된 적이 있습니다. 실제로 2020년 재료공학자들은 탄소나노튜브 안에 원자번호 72번 레늄을 넣어서 레늄이 결합되고 분리되는 과정들을 영상으로 촬영하는 것에 성공했습니다. 이 영상은 TEM이라는 특수한 현미경으로 이미지화를 한 것입니다. 하지만 어떤 물체가 어떻게 구성되는지를 알기 위해서는 엑스레이가 필수적입니다. 그렇기 때문에 이번 연구는 오하이오 대학의 표현이 빌리면 이렇습니다. 물질을 탐지하는 방법의 혁신을 일으킬 수 있습니다. 예를 들면, 나사의 화성 탐사 로봇이 있을 것입니다. 이 탐사 로봇이 화성의 암석 물질이 무엇으로 구성되어 있는지를 조사할 때 엑스레이를 사용했습니다. 그런데 한 번 관찰할 때마다 원자 1만 개를 보고 있었는데 이제는 원자 1개를 유심히 볼 수 있게 된 것입니다. 숲이 아니라 나무를 볼 수 있게 된 것입니다. 원소의 종류뿐 아니라 어떤 화학적 상태인지도 알 수 있게 된 것입니다. 아주 작은 세계를 알아낼 수 있다는 것은 아주 정확하게 진리를 알아낼 수 있다는 것을 의미하게 됩니다. 거대한 우주의 비밀을 알아내기 위해서도 아주 작은 것에서 시작합니다. 그리고 그 작은 것의 시작이 바로 모든 것을 구성하고 있는 원자입니다. 이 연구 결과가 앞으로 우리의 삶을 어떻게 변화시킬지 궁금해지는 대목입니다.