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동향 기본정보
원자력 현미경 혁명
동향 개요
| 기관명 | NDSL |
|---|---|
| 작성자 | KISTI 미리안 글로벌동향브리핑 |
| 작성일자 | 2017-09-15 00:00:00.000 |
| 내용 | 대부분의 측정 장비는 측정이 얼마나 정확하고 얼마나 신속하게 이루어지는가 사이의 트레이드오프 (tradeoff)에 의해 제한된다. 측정값이 정확할수록 측정시간은 길어진다. 그러나 나노 스케일에서 발생하는 많은 현상이 신속하고 작기 때문에 시간과 공간에서 정확한 세부 사항을 포착할 수 있는 측정 시스템이 필요하다. 이러한 도전 과제를 해결하기 위해 NIST (National Institute of Standards and Technology)의 연구원이 AFM (Atomic Force Microscope)의 핵심인 감지 시스템을 재설계했다. 나노 세계의 가장 뛰어난 도구인 AFM은 나노 미터 규모의 다른 특성과 함께 물질의 표면을 정의하는 초미세 언덕과 계곡을 매핑하기 위해 작은 프로브 또는 팁을 사용한다. AFM이 이미 나노 구조에 대한 혁명을 일으켰지만, 과학자들은 단백질의 접힘이나 열의 확산과 같은 나노 현상을 연구하기를 열망하고 있다. 열의 확산은 너무 빨리 일어나고 너무 작아서 기존 버전의 현미경으로 측정하기 어렵다. 매우 가벼운 AFM 프로브를 제작하고 프로브의 미세한 편향을 도파관 내부의 광 신호의 큰 변화로 변환시키는 나노 스케일 장치와 결합하여 NIST 연구원은 새로운 지평을 열었다. 이 AFM 시스템은 높은 구조의 빠른 변화를 측정한다. 이 결과로 AFM이 새로운 영역으로 옮겨지면서 이 장비는 시간당 변화하는 나노 수준의 프로세스를 측정할 수있게 되었으며, 이는 시간당 10 억분의 1 초만큼 변할 수 있다. 연구팀은 적외선을 사용하여 재료의 조성을 결정하는 능력과 AFM의 예리함을 결합하는 기술인 광열 유도 공진 (PTIR)을 사용하여 실험에서 새로운 AFM 기능을 사용했다. 새로운 AFM-PTIR 시스템을 사용하여 과학자들은 빛 펄스에 의해 가열된 개별 미세 결정의 신속하지만 미세한 팽창을 높은 정밀도로 측정했다. 연구팀이 조사한 미세 결정은 금속 유기 골격 (MOFs)으로 알려진 물질 군에 속한다. 이 물질은 나노 스폰지 (nanosized pores)를 포함하고 있어 미량 스폰지로 작용하여 가스를 저장할 수 있고 약물 전달 용기 역할을 할 수 있다. MOF가 열을 얼마나 잘 처리하는지에 대한 정확한 지식은 특정 용도에 맞게 이러한 소재를 설계하는데 중요하다. 그러나 대부분의 MOF는 미량 결정체로서 열전도도를 측정하기에는 너무 작다. 대신,이 팀은 새로운 AFM-PTIR 시스템을 사용하여 MOF 결정이 냉각되고 열 펄스에 의해 가열되고 열적으로 팽창된 후 원래 크기로 돌아오는데 걸리는 시간을 기록했다. 연구원들은 그 정보를 이용하여 이전에 달성된 적이 없었던 각 MOF 미세 결정의 열전도도를 결정했다. 연구팀이 설계한 AFM 시스템은 두 가지 핵심 요소를 가지고 있다. 첫째, 연구자들은 샘플이 힘을 가할 때 스프링처럼 굴절되고 진동하는 작은 캔틸레버인 AFM 프로브를 축소하고 얇게 만들었다. NIST의 Nanoscale Science and Technology (CNST) 센터의 NanoFab에서 제작된 이 새로운 프로브는 무게가 수조 1g에 불과하다. 소량의 질량으로 프로브는 연구팀이 조사한 MOF의 열팽창에 의해 유도된 것과 같은 작은 힘 또는 변위에 보다 신속하게 반응할 수 있었다. 연구팀은 캔틸레버를 위스퍼링 갤러리 (whispering gallery)의 광학 장치처럼 동작하는 소형 디스크 공진기와 통합했다. 위스퍼링 갤러리가 특정 주파수의 음파가 돔 주변을 자유롭게 움직일 수 있게 하는 것처럼 공진기는 특정 주파수의 빛을 디스크 주위로 순환시킨다. AFM 캔틸레버와 디스크는 150 나노 미터로 분리되어 있다. 그것은 캔틸레버의 작은 움직임이 AFM 프로브의 작은 기계적 운동을 사실상 광 신호의 큰 변화로 변형시키는 디스크의 공진 주파수를 변화시키는데 충분히 가깝다. 과학자들이 다른 측정 도구와 광학 공동을 결합시켰지만 연구팀의 시스템은 이러한 종류의 광학 장치를 AFM에 통합한 최초의 시스템이다. 연구팀은 Nano Letters의 최근 논문에서 발견한 내용을 기술했다 ('Nanophotonic Atomic Force Microscope Transducers Enable Chemical Composition and Thermal Conductivity Measurements at the Nanoscale'). 연구팀은 CNST에서 일련의 나노 제작 도구를 사용하여 시스템을 고심하게 설계, 제작 및 테스트했다. 새로운 AFM-PTIR 시스템은 10 억분의 1 초의 짧은 시간 간격으로 발생하는 1 조분의 1 미터 크기의 변위를 기록할 수 있다. 이제 연구팀은 PTIR 기술의 속도를 높이고 프로브를 사용하여 생물학적 시료를 검사하기에 적합한 환경인 물에서 측정을 수행할 계획이다. |
| 출처 | |
| 원문URL | http://click.ndsl.kr/servlet/OpenAPIDetailView?keyValue=03553784&target=TREND&cn=GTB2017003061 |
| 첨부파일 |
추가정보
| 과학기술표준분류 | |
|---|---|
| ICT 기술분류 | |
| 주제어 (키워드) | 1. 원자힘 현미경, 프로브, 도파관, 금속 유기 골격, 열전도도, 공진기 2. AFM, probe, waveguide, MOF, thermal conductivity, resonator |