From London to Morse via Binnig, Quate, and Gerber

우리가 주변에서 보는 모든 것을 구성하는 아주 작은 구성 요소인 개별 원자를 보고 만질 수 있는 세상을 상상해 보십시오. 수십 년 동안 과학자들은 원자를 보기 위해 이 특수한 종류의 현미경인 원자 힘 현미경(atomic force microscope)을 사용해 왔습니다. 빛은 원자를 보기에는 너무 크기 때문에, 이 장비는 빛 대신 단 하나의 원자로 끝나는 매우 날카로운 바늘을 사용합니다. 이 바늘이 표면 위를 떠다닐 때, 바늘은 자신과 그 아래에 있는 원자들 사이에서 끌어당기거나 밀어내는 보이지 않는 힘을 느낍니다. 이러한 힘은 먼지를 결합시키는 매우 약하고 부드러운 당김부터 분자들을 결합하는 믿을 수 없을 정도로 강한 결합까지 다양합니다. 연구자들의 큰 의문은 항상 이것이었습니다. 이 바늘이 단순히 그곳에 있는 것을 조용히 기록하는 수동적인 관찰자인가, 아니면 자신이 보는 것을 변화시키는 능동적인 참여자인가?

노팅엄 대학교와 여러 기관의 연구팀은 이 질문에 답하기 위해 20년을 보냈습니다. 그들은 가장 약한 힘에서 시작하여 가장 강한 힘으로 이동하며 원자 규모에 존재하는 다양한 유형의 힘을 통과하는 여정을 거쳤습니다. 그들의 연구는 바늘이 결코 수동적인 관찰자에 머물지 않는다는 것을 보여줍니다. 바늘은 항상 표면과 상호작용하며, 때로는 부드럽게, 때로는 원자를 움직일 정도로 강력하게 상호작용합니다. 바늘이 정확히 어떻게 행동하는지 이해함으로써, 그들은 원자 하나하나를 쌓아 올려 미세한 구조물을 만드는 법을 배웠으며, 이제는 컴퓨터가 이를 더 잘 수행할 수 있도록 가르치고 있습니다.

이야기는 가장 약한 힘, 즉 나노입자들이 표면에 얇은 층으로 결합되어 있는 종류에서 시작됩니다. 연구진은 실리콘 표면 위에 놓인 약 2나노미터 너비의 아주 작은 금 입자들을 관찰했습니다. 그들이 이 표면을 원자 바늘로 스캔했을 때 놀라운 일이 일왔습니다. 처음에 무질서하고 미로 같은 패턴으로 흩어져 있던 입자들이 더 크고 매끄러운 덩어리로 재배열되기 시작했습니다. 이것은 열이나 자연적인 노화 때문이 아니라, 바늘이 앞뒤로 스캔하면서 입자들을 밀고 당겼기 때문에 발생한 일이었습니다. 바늘은 마치 작은 국소적 에너지원처럼 작용하여 입자들이 더 안정적인 배열을 찾을 때까지 툭툭 건드렸습니다. '코어스닝(coarsening)'이라 불리는 이 과정은 현미경의 아주 부드러운 손길조차 표면을 재형성할 수 있음을 보여주었으며, 도구 자체가 변화를 주도하고 있음을 증명했습니다.

힘의 척도를 높여, 연구팀은 축구공 모양의 분자인 풀러렌(fullerene) 두 개가 서로 어떻게 상호작용하는지 살펴보았습니다. 그들은 이 분자 중 하나를 집어 올려 바늘 끝에 붙이는 데 성공했습니다. 그런 다음 이 끝을 표면에 놓인 또 다른 풀러렌 근처로 가져갔습니다. 두 분자 사이의 힘을 측정함으로써, 그들은 두 분자가 어떻게 서로를 끌어당기고 밀어내는지 정확하게 지도화했습니다. 그들은 분자들이 서로 어떤 방향으로 놓여 있는지에 따라 결과가 크게 달라진다는 것을 발견했습니다. 전체적인 힘은 인력이었지만, 분자의 구체적인 모양 때문에 원자들 사이의 척력이 실제로 그들이 어떻게 안착하는지를 결정했습니다. 이 상세한 매핑은 상호작용이 단순한 인력보다 훨씬 더 복렴하며, 분자가 어떻게 회전되어 있는지에 전적으로 달려 있다는 것을 보여주었습니다.

연구진은 다음으로 많은 생물학적 분자들을 결합하는 데 중요한 역할을 하는 수소 결합이라는 흔한 화학적 연결에 주목했습니다. 과거에 과학자들은 현미경 이미지에서 분자들을 연결하는 밝은 선으로서 이러한 결합을 직접 볼 수 있다고 주장해 왔습니다. 그러나 노팅엄 팀은 이 밝은 선들이 종종 환상(illusion)이라는 것을 발견했습니다. 그들이 수소 결고로 결합된 분자들이 있는 표면을 스캔했을 때, 결합이 있어야 할 위치에 밝은 선들이 나타났습니다. 하지만 데이터를 면밀히 분석했을 때, 그 선들이 결합 자체가 아니라는 사실을 깨달았습니다. 대신, 그것들은 현미경의 유연한 팁이 표면 위를 움직일 때 미세하게 휘어지면서 결합이 존재하지 않을 때도 마치 결합이 있는 것처럼 보이는 이미지를 만들어낸 것이었습니다. 이 발견은 해당 분야에 대한 중대한 수정 사항이었으며, 현미경 이미지에서 보이는 화학 결합이 실제로는 도구 자체의 움직임에 의한 인공물(artifact)일 수 있음을 보여주었습니다.

이러한 환상을 넘어서기 위해, 팀은 가장 강력한 힘인 공유 결합, 즉 고체 구조 내에서 원자들을 단단하게 연결하는 결합에 집중했습니다. 그들은 원자 쌍인 다이머(dimer)가 결합되어 있지만 스위치처럼 앞뒤로 뒤집힐 수 있는 실리콘 표면에 초점을 맞췄습니다. 적절한 힘으로 바늘을 눌러, 그들은 이 원자 스위치를 조작하여 명령에 따라 원자의 방향을 바꿀 수 있었습니다. 그러나 그들은 단 하나의 원자만을 독립적으로 뒤집을 수는 없었으며, 그 동작은 항상 주변 원자들에게 영향을 미친다는 것을 발견했습니다. 이는 국소적인 환경이 매우 중요하다는 것을 가르쳐 주었습니다. 원자들은 너무 긴밀하게 연결되어 있어서 하나를 바꾸면 필연적으로 다른 것들도 변하게 됩니다. 이러한 수준의 제어는 미래의 원자 규모 소자를 구축하는 데 필수적이지만, 이는 프로브(probe)가 전체 원자 집단에 어떻게 반응하는지에 대한 깊은 이해를 필요로 합니다.

이 연구의 궁극적인 목표는 원자를 하나씩 배치하여 새로운 재료를 만드는 '바텀업(bottom-up)' 방식의 구조물 구축입니다. 연구팀은 표면에서 개별 구리 원자를 집어 올려 특정 패턴으로 배치함으로써 이를 입증했습니다. 그들은 원자를 옆으로 밀어서만 움직일 수 있는 것이 아니라, 때로는 표면에서 들어 올렸다가 새로운 지점에 떨어뜨려야 한다는 것을 배웠습니다. 이러한 수직적 조작을 통해 그들은 단순히 옆으로 밀어서는 만들 수 없는 원자 클러스터를 구축할 수 있었습니다. 예를 들어, 그들은 세 개의 구리 원자로 이루어진 조밀한 삼각형 클러스터를 만들어냈는데, 이는 옆으로 움직이는 것만으로는 불가능한 형태였습니다. 원자를 상하 및 좌우로 움직일 수 있는 이 능력은 원자 수준에서 복잡한 3차원 형상을 구성하는 새로운 길을 열어주었습니다.

이 모든 실험을 통해 연구진은 바늘의 모양이 가장 중요한 변수라는 것을 깨달았습니다. 완벽한 단일 원자 팁은 현실에서 거의 존재하지 않는 이상적인 모델입니다. 그들의 현미경 팁은 종종 여러 개의 원자가 튀어나와 있는 지저분한 형태였으며, 이는 표면과의 상호작용 방식을 변화시켰습니다. 때로는 이 지저분함이 완벽한 팁으로는 볼 수 없는 것들을 보게 해주기도 했지만, 때로는 혼란스러운 이미지를 만들기도 했습니다. 이를 해결하기 위해 그들은 인공지능을 사용하여 도움을 받기 시작했습니다. 그들은 컴퓨터 프로그램이 팁의 모양을 인식하고 최선의 이동 방식을 결정하도록 훈련시켰습니다. 이 프로그램들은 원자를 집어 올리고 배치하는 완벽한 이동 순서를 찾기 위해 수천 번의 시도로부터 학습할 수 있었으며, 결과적으로 물질을 이용한 구축 과정을 자동화했습니다.

이 팀의 연구는 원자 세계를 관찰하는 데 있어 근본적인 진실을 강조합니다. 즉, 사용하는 도구가 실험의 일부라는 점입니다. 당신은 단순히 원자를 관찰하는 것이 아니라, 항상 원자와 상호작용하고 있습니다. 입자를 부드럽게 밀든, 스위치를 뒤집든, 새로운 구조를 만들든, 현미경은 능동적인 참여자입니다. 도구의 한계와 역량을 이해하고 스마트한 컴퓨터의 안내를 받음으로써, 이 과학자들은 원자 하나하나를 설계하고 구축하여 이전에 존재하지 않았던 것들을 만들어내는 미래에 한 걸음 더 다가가고 있습니다.