광족집게로 초미세 나노입자 포획해
이번 연구는 광족집게(optical tweezer)에 포획된 막대 모양 나노입자의 3차원 공간에서의 움직임을 측정하고자 하는 노력에서 출발했다. 광족집게는 집광된 레이저 광선으로 미세입자를 포획해 움직임을 제어하는 장치이다. 작은 유전체 입자를 고정하거나 원하는 방향으로 이동시킬 수 있어 생물학과 물리학 분야 등에서 다양하게 이용되어 왔다. 대표적인 예로 광자 힘 현미경(photonic force microscopy, PFM)은 탐침 대신 광족집게로 포획된 작은 형광 입자를 이용해 높은 해상도로 시료 표면의 3차원적 형상을 얻는다.

관측 어려운 막대 모양 나노입자
대부분의 PFM에서는 주로 구형의 나노입자를 포획하여 사용하였는데, 막대 모양의 나노입자를 사용한 PFM 기술이 개발되고 있다. 막대 모양 나노입자는 한 쪽 끝이 뾰족해 같은 크기의 구형 나노입자를 사용하는 것보다 해상도가 높다. 하지만 기존의 구형 입자와 달리 막대 모양의 나노입자는 병진 운동과 세차 운동*이 섞인 복잡한 운동을 하기 때문에, 기존의 방법들로는 정확한 운동을 관측하지 못하고 간접적으로 몇 가지 물리량만을 계산할 수 있었다.

렌즈 배치 바꿔 두 점 동시에 관측해
이를 해결하기 위해 연구팀은 막대 모양의 물체의 두 점의 위치를 알면 그 순간 물체의 움직임을 정확하게 알아낼 수 있다는 점을 이용하였다. 카메라로 어떤 물체를 관측할 때, 카메라가 관측하고 있는 위치는 그 사이에 있는 렌즈들의 배치를 통해 결정된다. 연구팀은 막대 모양의 나노입자를 두 개의 서로 다른 렌즈 배치를 통해 동시에 관측함으로써 운동을 직접적으로 관측하였다.

두 위치에서 측정된 물체의 움직임
연구팀은 우선 물체 운동의 중심을 찾아내기 위해 물체를 한 방향으로 훑으면서 물체의 움직임을 시각화했다. 이렇게 시각화된 물체의 위치 정보에서 가장 변동이 적은 부분을 물체 운동의 중심이라고 추정했다. 이후, 또 하나의 평면으로 물체를 훑으면서 측정하며 물체의 중심과의 비교를 통해 물체의 위치와 자세를 파악했다. 이렇게 매 순간 얻어지는 두 점을 분석하면 물체의 병진 운동과 세차 운동을 구분할 수 있게 된다.

탄성계수와 토크로 정확성 증명해
연구팀은 이런 직접적인 관측을 통해 막대 모양 나노입자의 병진 운동과 세차 운동을 분리해서 시각화하고, 포획하는 레이저의 세기와 편광 방향을 변화시키며 탄성계수와 토크** 상수의 변화를 확인하였다. 이러한 결과들이 이론적인 예상과 기존의 간접적인 방법으로 나온 결과들과 잘 들어맞는 것을 확인함으로써 실험 방법의 정확성을 검증하였다.
이번 연구는 광족집게에 의해 포획된 막대 모양 나노입자의 운동을 정밀하게 분석할 수 있어 나노입자를 움직이거나 나노 단위의 장치를 제작하는데 활용될 것으로 예상된다. 이번 논문에 제1 저자로 참여한 고기현 박사과정은 “광족집게로 포획된 막대 모양 나노입자의 복잡한 운동을 분리하여 분석하고, 이를 시각화시켰다는 데에 의미가 있다”라며, “막대 모양의 나노입자를 이용한 고해상도 광자 힘 현미경을 개발하는 과정에서 활용될 수 있을 것이다”라고 전망을 밝혔다.

세차 운동*
회전 운동을 하고 있는 물체의 회전축이 움직이지 않는 축의 둘레를 회전하는 현상.
토크**
물체에 작용하여 물체를 회전시키는 원인이 되는 물리량으로서 비틀림모멘트라고도 함.학적으로 포획된 막대 모양 나노입자의 위치와 움직임을 정밀하게 측정하고 시각화하는 기술을 개발했다. 이번 연구는 지난 3월 8일, <사이언티픽 리포츠(Scientific Reports)>에 게재되었다.