[송창용 교수 연구실] 엑스선자유전자레이저를 이용한 개별 코어-쉘 나노입자가 가지는 3차원 구조 앙상블의 고효율적 분석

Caption: XFEL을 이용한 3차원 구조 앙상블 분석의 모식도. 좌측부터 XFEL을 이용한 단일입자 회절 측정, 머신러닝을 활용한 3차원 구조 복원, 표면 구조 및 3차원 변형의 정량 분석

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[송창용 교수 연구실] 엑스선자유전자레이저를 이용한 개별 코어-쉘 나노입자가 가지는 3차원 구조 앙상블의 고효율적 분석

나노입자는 자연적인 입자들에서 나타나지 않는 특이한 성질들을 가지는데, 특히 3차원 구조의 설계와 내부 구성물질에 따라 입자의 물리/화학적 성질을 조절할 수 있어 다양한 방면에서 응용이 되고 있다. 또한 최근 SARS-CoV-2가 전세계를 위협하면서 바이러스의 구조에 대한 연구의 필요성이 대두되고 있다. 나노입자와 바이러스의 공통점은 주기적으로 배열된 결정이 아닌 나노미터 수준의 독립적인 입자의 형태로 존재하고, 구조가 완벽히 동일하지 않다는 것이다. 따라서 정확한 이해를 위해서는 개별 입자의 구조를 분석함과 동시에 수 천~수 십만 개의 입자가 가진 구조의 분포를 통계적으로 분석할 수 있어야 한다.

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물리학과 송창용 교수, 조도형 학생 연구팀은 엑스선 스선자유전자레이저(XFEL)와 머신 러닝을 활용하여 기존 방법들이 가진 물리적 한계를 극복하여 수 천개의 나노입자가 가지는 3차원 구조의 통계적 분포를 나노미터 수준에서 관측했다. 기존 전자현미경은 전자의 투과 깊이가 짧아 시료 크기에 제한이 있고, 엑스선이미징은 엑스선에 의한 시료 손상으로 인해 충분한 분해능을 얻기 어려웠는데, 태양보다 100경배 밝은 4세대 방사광원으로 알려진 XFEL을 사용하여 이러한 물리적 한계를 극복하고, 동시에 빠른 속도로 수 천개의 나노입자의 구조를 분석하였다. 그 결과 300 nm 크기의 나노입자의 3차원 구조를 20 nm의 해상도로 얻을 수 있었다.
 
특히 머신 러닝을 이용해 수 천개의 나노입자가 가지는 3차원 구조룰 복원하였다. 기존 3차원 복원 방법은 한 가지 3차원 구조만을 가정하기 때문에 시료 구조가 일정하지 않은 실제 실험 데이터에선 구조 복원이 어려웠다. 그러나 다중-모형을 새롭게 도입하면서 3차원 구조 복원에 성공했다. 또한 이번 실험에 쓰인 나노 입자를 크게 4가지 모양으로 분류하는 것이 가능하며 그중 약 40% 입자들이 유사한 구조를 가지고 있음을 알 수 있었다. 나아가 복원된 3차원 구조의 정량 분석을 통해 나노입자가 가지는 특징적인 24면체 구조를 확인할 수 있었으며, 내부에서 나타나는 밀도 분포로부터 내부의 탄성 변형(elastic strain)의 양상을 확인하였다.

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이번 연구결과는 머신 러닝을 활용해 모양이 일정하지 않은 수 천개의 나노입자의 구조로부터 고분해능의 3차원 구조를 얻어 이후 XFEL을 이용한 3차원 이미징에 개발에 속도를 가할 것으로 기대된다. 또한 정량 분석을 통해 나노입자의 높은 반응성과 연관이 있는 것으로 알려진 입체구조 및 변형 양상을 얻을 수 있고, 기존 연구에서 부족했던 통계적 정보를 제공하여 관련 연구에 중요한 정보를 제공할 것으로 기대된다. 그리고 유동적인 생체 거대분자나 바이러스의 구조에 대한 연구에도 적용이 가능할 것으로 기대된다.

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이 연구는  NUS(싱가포르) N. D. Loh 교수팀, KAIST 한상우 교수팀, GIST/IBS 노도영 교수팀와 공동연구로 진행되었고, 저명 학술지인 ACS Nano에 1월 28일자로 온라인 출간되었다.
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