X선 광전자분광기에 새로운 가능성을 열어 준 그래핀

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-26

엑스선 광전자 분광기(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)는 표면분석을 위한 가장 민감하고 많은 정보를 제공해 줄 수 있는 기술이다. 하지만 XPS는 구동을 위해 높은 진공상태를 필요로 하기 때문에 액체 및 기제 환경에서 물질을 분석하는 것은 어렵다. 국립표준기술연구소(National Institute of Standards and Technology, 미국), ELETTRA (이탈리아) 및 뮌헨공과대학(Technical University of Munich, 독일) 연구팀은, 단일 원자 두께의 탄소로 이루어진 시트 형태의 그래핀을 사용해 XPS를 훨씬 저렴하고 덜 복잡하게 그런 환경에서 재료를 연구하는데 도움을 줄 수 있음을 발견하였다. 본 연구결과는 Nanoscale ("Photoelectron spectroscopy of wet and gaseous samples through graphene membranes")지에 게재되었다. 연구팀은 가시광선을 이용해 세포 및 미생물을 분석하여 많은 정보를 얻을 수는 있지만, 500nm보다 훨씬 작은 물체를 분석하는 데는 사용할 수 없었다. 그러나 생명체의 대부분의 가장 중요한 프로세스 및 상호작용은 이보다 더 작은 크기에서 발생된다. 전지의 경우도 마찬가지이다. 광학 현미경으로 관찰할 수 없는 전극과 전해질 간의 미세한 계면에서 상호작용이 발생한다. 많은 과학자들은 엑스선 혹은 전자를 물질의 더 심오한 분석에 이용하지만, 이를 위한 정교한 기기를 보유한 연구실은 일부에 불과하며 오늘날 비용에 민감한 과학자들에게는 이용하기에 너무 부담스러운 상황이다. XPS에서는 엑스선을 표면에 조사하는 방법을 사용한다. 물질 표면의 원자는 엑스선 에너지를 흡수하며 광전자로서 에너지를 다시 방출한다. 과학자들은 역학 에너지 및 방출된 전자의 수를 분석해 시편의 조성 및 전자상태에 대한 정보를 얻어낸다. 공기 중에서 엑스선 및 광전자가 상호작용하기 때문에, XPS는 고진공 상태에서 사용되어야 한다. 과학자들이 필요로 하는 것은, 엑스선과 광전자를 거의 투과시키면서도 기체 및 액체는 투과할 수 없는 원도우 물질(window material)이었다. 또한 대기압 정도의 압력을 견딜 수 있는 충분한 기계적 강도도 필요하다. 21세기의 놀라운 물질인 그래핀(graphene)이 이런 특성을 가지고 있기 때문에, 연구팀은 샘플 단계에서 전자 분광기 내에서 고진공 조건으로부터 액체를 분리시키는데 사용 가능성을 탐구하였다. NIST 과학자 Andrei Kolmakov에 따르면, 연구결과 충분한 수준 이상의 엑스선과 광전자가 그래핀 원도우를 통과하여 액체 및 기체 물질로부터 좋은 품질의 XPS 데이터를 생성할 수 있음이 밝혀졌다. 연구팀은 또한 물 속에 기포를 형성하는데 필요한 엑스선의 강도를 측정할 수 있었다. 이는 엑스선을 사용함에 있어서 물이 산소와 수소로 분리되는 원치 않는 현상이다. 기포가 형성되는 시점을 밝힘으로써, 연구팀은 엑스선 혹은 전자 강도의 상한선을 규명할 수 있었다. 연구팀의 설계는 이런 수준의 측정에 필요한 비용을 낮추고 훨씬 단순화하는데 도움을 주게 될 것이라고 Kolmakov는 평가하였다. 이 영상화 능력을 통해, 다른 과학자들은 오래 사용할 수 있는 전지의 제작 및 더 효과적이고 안전한 약물을 개발하는데 큰 도움을 받게 될 것이다. 그림> 엑스선 광전자 분광기와, 고진공 감지 시스템과 샘플을 분리시키는 전자 투과성 그래핀 멤브레인(원도우)에 대한 개략도 drawing.jpg http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=38548.php