[미국] MIT의 새 현미경 기술, 효율적인 물공정 도울것
MIT연구진이 개발한 신기술로 용적 핵생성 자세히 관찰 가능해
담수화·결정 등 향후 다양한 물연구에 적용될 가능성 커, 기대

핵은 응축·담수화·물분리·결정 성장 등, 기타 많은 산업 공정에 사용하는 시스템에서 물방울과 기포의 생성을 제어하는 유비쿼터스 현상이다. 그러나 메사추세츠공과대(MIT)에서 처음 개발한 새 현미경 검사 기법으로 공정 과정을 상세하게 관찰할 수 있게 되어, 이전의 공정들보다 효율적이고 개선된 표면 설계를 할 수 있게 됐다.

이 신기술은 다양한 연구 분야에 적용될 수 있을 것으로 전망되고 있으며, 최근 『세포 보고서 물리과학(Cell Reports Physical Science)』 지에 실렸다. 논문이 실린 팀의 구성원으로 메사추세츠공과대 대학원생 레난 장(Lenan Zhang), 객원 연구원 이와타 류이치(Ryuichi Iwata), 기계공학부 교수 이블린 왕(Evelyn Wang), 그 외 일리노이대 우르바나 샴페인(Urbana-Champaign) 연구진, 상하이 자오통(Jiao Tong) 대학 연구진 등 9명이다.

또한 기존의 스캐닝 전자 현미경 장비를 사용하지만, 전체 감도를 10배까지 높일 수 있고 대비와 해상도도 향상하는 새 처리 기술을 추가할 수 있다. 이 기술로 연구자들은 지표면에서 핵 생성 부위의 공간 분포를 직접 관찰하고 시간이 지남에 따라 핵 부위가 어떻게 변화했는지 추적할 수 있었다. 이를 통해 연구팀은 이 정보를 사용하여 공정과 공정을 제어하는 변수에 대한 정확한 수학적 설명을 도출해냈다.

핵 형성은 무작위라 예측이 불가능하기 때문에 시스템의 설계는 분포의 통계적 추정치에 의존하게 된다. 보통 전기 발전소 증기를 다시 물로 순환시키는 것처럼 물방울이 평평한 표면에 응결될 때, 방울이 쌓이는 핵 형성 장소가 필요하다.

그러나 연구 결과, 수십 년 동안 사용되어 온 통계적 방법은 부정확하며 대신 다른 방법을 사용할 수 있다. 연구팀이 개발한 수학적 모델과 함께 핵 공정의 고해상도 영상을 통해, 핵 부위의 분포를 엄격한 정량적 용어로 설명하게 됐다.

연구팀이 사용한 것은 ‘위상 강화형 전자현미경 검사(p-ESEM)’라고 불리는 기술로, 이미지화 된 표면 위에서 가스 분자의 산란 전자 구름이 발생시킨 전자 안개를 관찰할 수 있다.

이에 대해 장 교수는 “기존 일반적인 전자현미경에 비해 매우 독특한 매우 광범위한 재료 샘플을 이미지화할 수 있지만, 무작위 노이즈를 발생시키는 이 전자 산란 때문에 분해능이 떨어진다”라며 “핵 형성은 매우 미세하지만, 이 미세한 규모로 핵 부위의 분포가 실제로 시스템의 거시적 행동을 결정짓기 때문에 매우 중요하다”고 말했다.

결정체 성장과정을 포함한 다른 현상들도 핵에 의존하고 있다. 이런 과정은 다양한 첨단 기술 애플리케이션에서 점점 더 중요해지고 있다.

연구팀은 핵 생성 외에도 자신들이 개발한 ‘위상 강화형 전자현미경 검사’ 기술이 다양한 물리적 과정을 조사하는 데 사용될 수 있다고 설명했다. 이에 장 교수는 “전기 화학 공정, 고분자 물리학 및 생체 재료에도 적용될 수 있다. 이러한 모든 종류의 재료는 기존의 현미경 검사를 사용하여 광범위하게 연구되기 때문” 이라며 “그러나 p-ESEM을 사용하면 이 시스템의 본질적인 고감도를 통해 훨씬 더 나은 성능을 얻을 수 있다”고 덧붙였다.

한편, 연구팀은 메사추세츠공과대의 린 자오(Lin Zhao), 슈아이 공(Shuai Gong), 새뮤얼 크루즈( Samuel Cruz), 카일 윌케(Kyle Wilke) 박사 등이 참여했다. 여기에는 일리노이 대와 상하이 자오퉁 대학교 연구진도 포함되어 있다. 이 연구에는 싱가포르와 메사추세츠공과대가 연구·기술을 제휴했으며, 도요타 센트럴 R&D 연구소, 중국 국립과학재단과 국립과학기술 주요 프로젝트 등에서 지원을 받았다.

[출처 = Water World(https://www.waterworld.com/drinking-water/treatment/press-release/14188898/new-microscope-technique-reveals-details-of-droplet-nucleation) / 2020년 12월 11일]