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원자 한 개 MRI 촬영 가능해졌다

2019-07-02기사 편집 2019-07-02 01:07:59

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IBS, 자기공명영상으로 원자 스핀 자기장 시각화…기존 대비 100배 높은 해상도

첨부사진1세상에서 가장 정밀한 MRI 실험 모식도. 사진=기초과학연구원 제공

원자 한 개의 자기장을 관찰할 수 있을 정도의 세밀한 자기공명영상(MRI) 기술이 개발됐다.

기초과학연구원은 양자나노과학 연구단 안드레아스 하인리히 단장이 이끄는 연구진과 미국 IBM의 공동 연구를 통해 기존 분자 수준 자기공명영상보다 100배 이상 해상도를 높인 기술을 개발했다고 2일 밝혔다.

자기공명영상은 병원에서 병을 진단할 때 주로 쓰인다. 우리 몸을 이루는 원자들의 스핀이 외부 자기장에 반응, 신체 내부를 시각화하는 원리다. 또 그동안 미시세계 연구를 위해 분자 수준까지 측정할 수 있는 자기공명영상 연구가 이뤄졌지만, 해상도가 나노미터 수준에 그쳐 개별 원자를 뚜렷하게 보기 어렵다는 기술적 한계가 있었다.

이에 연구진은 꾸준히 연구해 온 주사터널링현미경(STM)에서 해결책을 찾았다. 주사터널링현미경은 아주 뾰족한 금속 탐침을 시료 표면에 가깝게 스캔, 탐침과 시료 사이에 흐르는 전류로 표면 원자를 보는 장비다. 연구진은 주사터널링현미경 탐침 끝에 원자 여러 개를 묶은 스핀 클러스터를 부착하는 방법을 고안했다.

스핀 클러스터는 안정적인 탐침 원자와 달리 자기장을 뗘 시료 원자의 스핀과 자기적인 상호작용이 발생할 것으로 예측했다. 여기에 초고진공·극저온 조건을 적용, 탐침이 시료 표면에 더욱 가까이 접근할 수 있도록 했다. 이후 시료 원자 주변으로 탐침의 스핀 클러스터를 움직이며 원자 한 개를 시각화하기 위해 실험을 거듭했다.

그 결과, 연구진은 표면 위 원자 하나와 스핀 클러스터 사이의 자기적 공명을 읽는 데 성공했다. 원자 한 개와의 자기적 공명 에너지를 볼 수 있게 된 것이다. 이는 기존의 분자 수준 자기공명영상보다 100배 높은 해상도이며, 원자 하나의 자기공명영상을 촬영한 것은 최초다.

안드레아스 하인리히 단장은 "병원에서 MRI로 사진을 먼저 찍어야 진단과 치료를 할 수 있는 것처럼물리적 시스템도 정확히 분석해야 변형과 응용이 가능하다"며 "이번 연구로 원자들의 성질을 스핀 구조라는 새로운 측면에서 확인했다"고 의의를 밝혔다.

한편 이번 연구 결과는 국제 학술지 네이처 피직스(Nature Physics, IF=22.727)에 온라인 게재됐다.박영문 기자









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첨부사진2원자들의 자기공명영상 측정 데이터. 사진=기초과학연구원 제공

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