물과 수증기는 안 되고 얼음은 되는 것이 뭘까. 답은 바로 '전자현미경 관찰'이다.

전자현미경은 원자를 볼 수 있는 높은 배율의 현미경이다. 물 한 방울을 지구라고 할 때 물방울 속의 원자는 야구공에 불과한 아주 작은 크기다. 이처럼 작은 원자의 배열 순서까지 낱낱이 확인할 수 있는 전자현미경 덕에 과학은 크게 발전할 수 있었다. 그러나 전자현미경에도 결정적인 단점이 하나 있다. 고체만 관찰할 수 있고 액체나 기체는 관찰할 수 없다는 것이다. 우리 몸의 70%를 차지하는 것도, 지구의 70%는 덮고 있는 것도 '물'이지만 첨단 과학의 시대인 21세기에도 액체 속에서 어떤 일이 이뤄지는지 눈으로 확인된 적이 없는 셈이다.

이 같은 전자현미경의 단점이 우리 기술진에 의해 극복됐다. 이정용 한국과학기술원 교수가 세계에서 처음으로 전자현미경으로 액체를 관찰할 수 있는 방법을 개발한 것이다. 이 교수는 액체가 증발되지 않도록 투명한 막으로 한 겹 둘러싸는 간단한 원리를 이용해 문제를 해결했다. 이 교수는 휘어지는 휴대폰을 가능하게 할 신소재로 주목 받는 '그래핀'을 이용했다. 그래핀은 연필의 소재인 흑연에서 떼어낸 얇은 막으로 내구성이 강하면서도 얇고 투명하다는 장점이 있다. 이 같은 방법을 이용하면 기체도 전자현미경으로 관찰할 수 있다는 게 이 교수의 설명이다.

세상에 존재하는 물질은 크게 고체ㆍ액체ㆍ기체로 나눌 수 있다. 그런데 이제껏 전자현미경으로 관찰할 수 있었던 것은 고체뿐이었다는 사실을 아는 사람이 얼마나 될까.

액체를 관찰할 수 없는 이유는 바로 전자현미경의 원리 때문이다. 전자현미경은 시료에 전자빔을 쏘고 이 상을 확대해 투영한다. 전자의 흐름을 이용하기 때문에 전자가 공기에 부딪히지 않도록 장치 내부를 진공으로 한다. 진공 상태이기 때문에 기체는 존재할 수 없고 액체는 바로 증발해버리기 때문에 액체는 물론 액체가 포함된 시료는 건조시키거나 얼리지 않는 한 관찰이 불가능하다.

액체를 관찰할 수 없다는 것은 말 그대로 과학계의 커다란 맹점(盲點)이었다. 동식물의 모든 세포는 수분을 포함하고 있고 배터리나 부식ㆍ도금 등 다양한 화학 작용도 액체와 고체 사이의 반응으로 이뤄지기 때문이다.

그동안 엿볼 수 없던 액체 세계를 볼 수 있게 되면 많은 것은 달라진다. 세포의 75%가 수분으로 구성돼 있는 만큼 우선 바이러스학ㆍ종양학ㆍ신경과학ㆍ세포생물학과 같은 생물학과 의학 발전에 큰 영향을 미치게 된다. 이뿐만 아니라 액체 속에서 이뤄지는 각종 화학작용도 원자 단위의 분석이 가능해져 새로운 나노 소재 개발과 고성능 배터리 개발에도 도움이 될 것이라고 이 교수는 설명했다.

일명 '꿈의 소재'라고 불리는 그래핀은 널리 알려진 것처럼 연필심으로 쓰이는 흑연에서 스카치테이프로 분리해낸 물질이다. 두께는 100억분의2m 정도로 엄청나게 얇으면서 투명하고 물리적ㆍ화학적 안정성도 높다. 이러한 특성 때문에 그래핀은 앞으로 구부릴 수 있는 휴대폰이나 전자종이에 활용될 수 있는, 한마디로 유망 신소재다.

이 교수 역시 강하고도 투명한 그래핀의 특징을 이용해 세계 최초로 액체를 전자현미경으로 관찰할 수 있는 방법을 개발했다. 이 교수는 그래핀과 그래핀 사이에 갇힌 금 나노입자가 녹는점 이상의 온도에서도 안정적이라는 사실에 착안해 그래핀 사이에 액체를 넣어 관찰하는 실험을 했다. 결과는 성공적이었다. 그래핀은 초고진공 투과전자현미경 안에서 액체가 증발하지 못하도록 완전히 밀봉할 수 있었고 두께도 탄소 원자 한 층으로 구성돼 있기 때문에 관찰하려는 시료를 있는 그대로 볼 수 있었다.

실제로 연구팀은 새로운 액체 관찰 방법을 통해 액상 백금용액을 두 겹의 그래핀에 밀봉해 투과전자현미경으로 관찰하는 데 성공했다. 연구팀은 이 과정에서 나노 입자가 만들어지는 과정도 밝혀냈다. 그동안 나노 입자가 뭉치는 과정에 대해서는 두 가지 학설이 있었다. 나노 입자끼리 뭉칠 때는 특정 면과 면이 닿아야 접합이 되는데 첫 번째 가설은 두 개의 나노 입자가 충돌을 일으킨 후 회전하면서 특정 면과 면이 달라붙는다는 것이고 두 번째는 면과 면이 마주보고 있는 나노 입자만 충돌해 융합한다는 것이었다. 관찰 결과 특정 면과 면이 마주보고 있는 나노 입자만 충돌해 융합한다는 것을 관찰ㆍ증명할 수 있었다. 다른 방향을 바라보고 있는 입자는 충돌하더라도 서로 달라붙지 않았다.

◇기체 관찰도 이론상 가능

액체 시료 제작에 적용했던 그래핀 기술을 그대로 적용하면 기체 자체 또는 기체를 포함하는 시료를 제작할 수 있을 것으로 전망된다. 이 교수는 "기체는 원자가 빽빽하게 들어차 있어 전자현미경으로 보기 힘들다"며 "기체 속에 있는 원자의 숫자를 줄이는 과정을 거쳐 그래핀 사이에 넣으면 이론상 관찰이 가능하다"고 설명했다.

액체와 기체를 원자 단위로 관찰할 수 있다면 무엇이 달라질까. 지금은 암을 세포 수준에서 분석하지만 세포 내에서 원자가 움직이고 변화하는 모습을 보게 되면 암은 물론 각종 질병의 근본 원인을 찾아낼 수 있다.

전기자동차에 사용되는 배터리도 지금은 반응을 시켜본 후 얼마나 성능이 좋은지 관찰하지만 전해액을 원자 단위로 분석해 반응 원리를 알아내면 향후 고성능 배터리 개발의 기초를 닦을 수 있다.

지금까지 고체 상태의 연구가 주를 이뤘던 나노 결정 연구도 이번 연구 성과를 통해 나노 크기의 액체나 기체를 그래핀으로 밀봉해 제작하는, 나노액체ㆍ나노기체를 제작할 수 있게 됐다. 그 전까지 없었던 새로운 과학 연구 분야가 생긴 것이다. 신생 학문이기 때문에 구체적으로 어떻게 응용될지는 알 수 없지만 현재 나노 고체가 활용되는 것처럼 흡수가 더욱 빠른 약이나 신소재 개발에 사용될 수 있다.

이 교수는 "그동안 베일에 싸여 있던 액체와 기체 속에서 일어나는 많은 과학 현상을 원자 단위로 규명해 우리 생활을 더 편리하거나 이롭게 하는 데 최선을 다하고 싶다"고 소감을 밝혔다.