물리 미세한 유기체를 이용한 회절격자 실험

2013.09.20 20:02

미세한 유기체를 이용한 회절격자 실험 http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?cn=GTB2013090289&service_code=03
KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2013-09-18

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미세한 유기체 외골격이 오스트리아 비엔나 대학의 연구진에 의해서 회절격자로 사용되었다. 이들 연구진은 그것을 사용하여 분자 간섭계 실험을 수행하였으며, 응집 분자빔이 해양조류의 실리콘 기반 세포벽으로부터 회절될 수 있다는 것을 보였다. 조류는 저렴하고 쉽게 얻을 수 있기 때문에, 값비싼 나노디바이스를 대체하여 간섭 실험을 할 수 있을 것이라고 연구진은 설명하였다. 고전역학과는 달리, 양자 물리학은 입자가 파동처럼 행동하며 파동 역시 입자처럼 행동한다고 기술하고 있다. 이런 아이디어는 1923년 노벨 물리학상 수상자인 루이스 드 브로이(Louis de Broglie)에 의해서 처음 제안되었다.

전자와 같은 미세한 입자들이 파동과 같이 행동한다는 것은 그 당시 충격적이었지만, 이제 과학자들은 복잡한 분자와 같이 전자보다 수백만배 더 무거운 물체도 양자 간섭을 보인다는 것을 알고 있다. 무거운 분자들은 매우 작은 파장을 가지고 있으며 따라서 그것들의 회절을 관측하기 위해서 극도로 얇고 촘촘한 간격의 슬릿을 가진 격자를 회절 관측에 필요로 한다. 현재, 이와 같이 정교한 디바이스는 나노기술 기법을 이용하여 특별히 제작되고 있다. 이제 오스트리아 비엔나 대학의 물리학 연구진은 규조류 돌말이 가지고 있는 자연적인 형태를 이용하여 간단하고 저렴한 격자를 시연하였다. 이것들은 단세포 해양 조류로써 규조 돌말의 껍질로 알려진 실리카로 만들어진 세포벽 안에 들어있다.

실험에서, 이들 연구진은 해변에서 발견될 수 있는 조류인 Amphipleura pellucida를 이용하였다. 그것의 벽두께는 90나노미터이고 놀랍게도 균일한 약 200나노미터 가량의 구멍 간격을 가지고 있다. 연구진은 그들이 규조 돌말을 이용하여 분자빔을 그것에 발사하여 분자 드브로이 파장을 측정할 수 있었다. 이를 위해서, 이들 연구진은 Amphipleura pellucida 껍질을 보통 청녹색 레이저에 사용되는 프탈로시아닌(phthalocyanine) 분자들의 응집된 빔을 향하여 구멍이 정렬되도록 위치시키고 진공 안에 매달아 놓았다. 우연히, 프탈로시아닌 분자는 전자보다 약 백만배 더 무겁다. 프탈로시아닌은 레이저로 조사되면 형광빛을 발산하여 쉽게 검출될 수 있기 때문에 선택되었다.

이 빔은 1.5마이크로미터 파장의 레이저빔을 염료 코팅된 유리 윈도우상에 조사함으로써 생성되었다. 레이저의 미세한 점 크기는 빔이 응집되었다는 것을 확인시켜 주었다. 그리고 빔은 규조 돌말을 통하여 보내졌으며 각각의 분자들은 시료 뒤의 스크린 상에서 검출되었다. 이것은 현미경으로 형광빛의 위치를 관측함으로써 수행되었다. 많은 분자들이 규조 돌말을 통하여 지나간 다음, 그것들의 위치 앙상블은 회절 패턴을 만들어내었다. 연구진은 실제로 생물학적으로 성장된 나노구조의 구멍을 통해서 입자를 비국재화시키고 양자 위상의 손실 또는 파괴없이 응집적으로 전파시킬 수 있었다고 설명하였다.

대신에, 각 분자의 파동함수는 몇 개의 조류 구멍에 걸쳐 비국재화되었다. 연구진은 또한 장비의 대부분은 쉽게 설치될 수 있었으며 규조류 돌말은 온라인상으로도 저렴하게 주문할 수 있다고 연구진은 덧붙였다. 이들의 연구 결과는 New Journal of Physics에 발표되었다. 연구진은 그들의 실험 결과를 이해하고 분석하기 위해서, 조류의 사진을 찍고 비슷한 환경에서 빛의 전파 모델에서 사용되는 공식으로 조류 뒤의 스크린 상에 나타나는 분자 세기 분포를 계산하였다. 이 둘을 비교하여, 연구진은 이론에서는 2차원 간섭으로 예측되었지만 실험에서는 1차원 패턴으로 나타난 특이한 현상에 주목하였다.

연구진은 이런 차원 특이성에 대한 간단한 설명은 중력이라고 말하였다. 분자가 소스에서 검출기로 전파되어 나갈 때, 지구 중력에 의해서 어느 정도 아래로 휜다. 이것은 다른 속도를 가진 분자들이 y-축을 따라 동일한 공간 영역에 기여하며 패턴이 희미해진다. 만약에 간섭 실험을 반복하고 90도 회전시키면 2차원 패턴을 얻을 수 있을 것이라고 연구진은 말하였다. 연구진은 또한 그들의 이론적 시뮬레이션에서 고차 간섭 효가가 거의 없다는 것을 발견하였지만, 그들의 실험에서는 더 큰 고차 간섭이 많이 발견되었다. 이들 연구진은 이것은 단일 분자와 조류의 구멍의 실제 물질 표면 사이의 상호작용 포텐셜에 의해서 설명될 수 있다고 믿고 있다. 연구진은 이런 상호작용은 반데르 발스 포텐셜에 의해서 기술된다고 말하였다. 이런 포텐셜은 분자가 조류의 벽을 지나갈 때 작은 쌍극자 모멘트를 포함한 거동에서 나타난다. 따라서 반데르 발스 포텐셜은 추가적인 모멘텀 작용을 발생시키는 것이다.

수학적으로, 이런 상호작용은 조류 구멍의 크기를 줄임으로써 묘사될 수 있다. 연구진은 또한 그들의 이론적 모델을 위상항을 프탈로시아닌과 조류의 내부 표면 사이의 상호작용 상수를 추정하는 적분항에 더함으로써 만들었다. 이런 결과는 이론과 실험의 정량적인 일치를 가져다 주었다. 연구진은 규조류 돌말을 사용하여 얻을 수 있는 많은 장점을 논문에 기술하였다. 물질-파동 간섭에 사용될 수 있는 대부분의 조류에서 규칙적인 구조가 있다는 사실에 더하여, 양자 간섭 패턴에 영향을 주는 위상 어긋남을 통해 조류의 내부 특성도 조사할 수 있다. 규조류 돌말은 매우 규칙적인 구조 덕분에 약물 전달 및 자연적인 필터를 포함한 다양한 응용 가능성이 있다고 연구진은 설명하였다.

첨부그림: Amphipleura pellucida의 껍질을 통해 응집된 분자의 전파 후에 나타난 프탈로시아닌 분자의 회절 패턴 사진.

[출처] http://physicsworld.com/cws/article/news/2013/sep/13/diatoms-bring-the-quantum-effect-to-life

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