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캘리포니아 공과대학(California Institute of Technology)의 연구진은 액체-셀 4D 전자 현미경(4D-EM)을 이용해서 물속의 구형 금 나노입자의 움직임을 초고속으로 측정하는데 세계 최초로 성공했다. 펨토세컨드(femtosecond) 레이저 펄스로 여기될 때, 입자들은 나노버블로 인해서 무작위 구동력을 발생한다. 액체 속에서 지그재그로 움직이는 작은 부유 입자의 운동은 1827년에 로버트 브라운에 의해 처음으로 관찰되었다. 여기서 각 입자의 운동은 이전 운동과는 독립적이라는 것을 발견했다. 알버트 아인슈타인은 1905년 논문에서 입자와 주위 매질 분자와의 충돌로 브라운 운동이 발생한다는 것을 증명했다. 액체상일 경우에 브라운 운동을 하는 물체의 초고속 운동을 고해상도로 이미징하는 기술이 부족해서 아직 잘 이해되지 못하고 있다. 종래의 액체-세포 전자 현미경 이미지는 정적이고 밀리세컨드(millisecond) 응답 때문에 너무 느리다. 이번 연구진은 새로운 액체-셀 4D-EM이라는 기술을 개발했는데, 이것은 반응 시간에서 제한이 없다. 이 현미경은 펨토세컨드 레이저 펄스로 여기했을 때 액체 속에 부유하는 단일 금 나노입자의 이동 및 회전을 초고속으로 이미지화할 수 있었다. 레이저 펄스를 여기시켰을 때 나노입자의 확산 속도가 4배에서 5배까지 증가하는 것을 관찰했다. 이 운동은 입자 표면에서 형성된 나노버블에 의해서 발생했다. 이런 나노버블은 4D-EM을 사용하여 직접 시각화할 수 있었다. 나노버블의 추진 메커니즘은 물리적 및 생물학적 시스템이 비평형 상태에서도 존재할 수 있다는 것을 이해하는데 도움을 줄 수 있고, 복잡한 액체 환경에서 작동하는 마이크로로봇 및 나노로봇 설계에 새로운 통찰력을 제공한다. 이 연구결과는 액체에서 발생하는 화학 물질 속에서 발생하는 동역학, 액체 속에 발생하는 생물학적 변형 과정을 탐색하는데 사용될 수 있을 것이다. 생물학적 기계에서 영감을 얻은 인공 모터는 비침입적 미세 수술과 약물 전달 등의 분야에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다. 이 연구결과는 저널 Science Advances에 ldquo;Photoinduced nanobubble-driven superfast diffusion of nanoparticles imaged by 4D electron microscopy rdquo; 라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1126/sciadv.1701160). |
