[표지로 읽는 과학] X선의 위대한 도약, 단 한 개의 원자 포착

네이처 제공

국제학술지 ‘네이처’는 이번주 표지로 확대된 원자들의 모습을 담았다. 다양한 원자배열을 보여주는 다소 흐릿한 이미지 위로 ‘아토믹 파워(ATOMIC POWER)’라는 큼지막한 문구가 삽입돼 있다. 이 문구 아래로는 ‘X-ray가 단일 원자의 원소와 화학적 특징들을 동시에 포착하다’라는 문구가 배치됐다. 

X선(X-ray)의 발견은 의료계를 비롯한 과학 분야에 지대한 영향을 미쳤다. 기체의 방전 현상을 연구하던 독일 물리학자 빌헬름 뢴트겐은 1895년 우연히 X선을 발견하게 되는데, 그는 이 우연한 발견으로 첫 노벨 물리학상을 수상했다.  

쏘와이 흘라 미국 오하이오대 교수 연구팀은 역사상 최초로 X선을 통해 단 하나의 원자를 포착하고 연구결과를 네이처에 지난 31일(현지시간) 발표했다. 원자란 물질을 이루고 있는 가장 작은 구성단위로, 물질 구성에 기본이 되는 원소의 화학적 성질을 갖는 최소 단위이기도 하다. 

그동안 육안으로 볼 수 없는 물질의 특징을 식별하기 위해 X선을 활용했다. 원자가 생성하는 X선 신호가 매우 약해 일반적인 X선으로는 단일 원자를 촬영하기 어려웠다. 싱크로트론 X선이 개발돼 X선 촬영에 필요한 시료의 양을 줄였지만 X선으로 촬영 가능한 물질의 최소 원자량은 1만개 이상이었다.  

연구팀은 특수 제작한 싱크로트론 X선 장비로 단일 원자를 포착하는 데 성공했다. 이 장비는 미국 아르곤 국립연구소의 첨단 광자 소스 및 나노물질 센터의 XTIP 빔라인에서 특수 제작됐다. 빔라인이란 전자가 회전하면서 방사광을 뿜어낼 때 원하는 에너지의 방사광만을 선별하는 장치이다.  XTIP 빔라인은 세계 최초의 싱크로트론 X선 스캐닝 터널링 현미경 전용으로 제작된 빔라인이다.

연구팀은 기존에 있는 X선 검출기에 날카로운 금속침을 부착해 촬영하고자 하는 샘플에 매우 가까이 위치시킬 수 있는 싱크로트론 X선 주사 터널링 현미경(SX-STM)을 만들었다. 이를 통해 연구팀은 철(Fe) 원자 1개와 테르븀(Tb) 원자 1개를 X선으로 촬영하는 데 성공했다.

연구를 이끈 흘라 교수는 “원자는 특수 현미경 장비로 이미지화할 수는 있지만 X선을 활용하지 않고서는 무엇으로 구성되어 있는지 알 수 없다”며 “이번 연구를 통해 우리는 특정 원자의 유형을 하나씩 정확하게 감지할 수 있게 됐으며 동시에 이 원자의 화학적 상태를 측정할 수도 있게 됐다”고 밝혔다.

[이승엽 기자 flame@donga.com]