‘임계핵 성장 이론’은 물질 성장에 관해 과학계에 널리 알려진 이론으로 재료, 화학, 물리 분야의 여러 교과서에 실릴 만큼 과학계 전반에서 인정받는 이론이다. 이 이론은 물질 성장 초기에 임계핵이 생성되고, 후에 임계핵을 중심으로 벌크(bulk) 소재가 형성되며 물질이 성장한다고 본다.
문대원 교수팀과 남기태 교수팀은 뼈의 주요 성분인 인산칼슘(calcium phosphate)의 나노 입자를 ‘비행시간 중에너지 이온산란 분석법(TOF-MEIS)’을 통해 분석하고, 김용현 교수팀이 관련 이론 계산을 진행해 나노 입자의 초기 성장 과정에 대한 연구를 수행했다. 그 결과 나노 물질의 성장 초기에 임계핵 대신 나노 입자가 계속해서 성장해 벌크 소재와 같은 물질로 변형 및 성장한다는 사실을 밝혔다.
최근 과학계에서는 물질의 초기 성장 과정에 대해 기존 임계핵 성장 이론과 다른 연구결과가 발표됐지만 직접적인 연구 결과 수치를 제시하지 못해 논란이 있어왔다. 이에 문대원 교수팀은 나노 입자의 크기와 구성을 정확히 측정함으로써 기존 이론을 뒤집는 확실한 증거를 제시했다.
물질의 초기 성장 과정을 측정하는데는 문대원 교수팀이 세계 최초로 개발한 비행시간 중 에너지 이온산란 분석법이 큰 역할을 했다. 이 나노분석 기술은 기존의 중에너지 이온산란 분석법(MEIS)에 비해 만 배나 낮은 이온 전류로도 물질의 성장 과정을 측정할 수 있어 이번 연구에서 이온의 손상 없이 나노 입자의 평균 크기와 구체적인 구조를 정량적으로 측정 할 수 있었다.
문대원 교수는 “이번 연구는 실험을 계획하는 단계에서부터 측정, 논문 작성, 발표에 이르기까지 7년이 걸릴 정도로 장기 프로젝트였다”며 “새로운 나노 분석 기술과 재료과학, 이론화학 분야를 융합한 연구를 바탕으로 기존에 통용되던 이론을 뒤집는 구체적 이론 계산과 연구 결과를 도출했다”고 말했다. 또한 그는 “앞으로 나노 입자의 성장 및 특성을 제어하는 연구에 활용할 것으로 기대된다”고 덧붙였다.
한편 연구 결과는 화학분야 세계적 학술지인 ‘ACS 센트럴 사이언스’(ACS Central Science, IF 11.2) 온라인판에 게재됐다.
대구 경산/조영준 기자
jebo777@hanmail.net