펨토과학의 이해

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레포트 > 사회계열
2016.04.16
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본문내용

펨토과학
*화학반응이란 한 분자가 다른 분자와 원자들을 주고받아 구조가 바뀌는 과정이다. 이런 변신은 1천조분의 1초 정도 만에 일어난다. 화학 반응 등에서 분자들이 어떤 식으로 원자나 전자를 주고받는지 과정을 밝히는 것. 이를 펨토과학이라 부른다. 펨토란 1천조분의 1이라는 뜻. 펨토초 사이의 일을 탐구한다는 데서 펨토과학이라는 이름이 붙었다. 펨토초의 세계를 확인하는 도구는 레이저다. 카메라로 10만분의 1초 안에 일어나는 일을 찍으려면, 그 정도로 짧은 순간만 터지는 섬광(플래시)을 이용한다. 강한 빛을 아주 잠깐만 터뜨려 그 빛에 노출된 순간의 모습이 필름에 기록되게 하는 것이다. 펨토의 세계를 관찰하는 데는 1천조분의 1초만 빛을 냈다 사라지는 레이저를 이용한다. 이런 레이저를 원자.분자들에 쬐어 주었을 때, 원자.분자가 내는 반응 신호를 분석해 펨토초 동안에 벌어지는 일들을 확인하는 것이 원리다. 펨토보다는 느린 1조분의 1(피코)초 정도에서 일어나는 일들은 이미 정복했다. 그 결과 식물이 광합성을 할 때 빛 에너지가 변환되는 과정, 빛이 눈에 들어왔을 때 분자들의 반응 등 1조분의 1초만에 일어나는 일들을 밝혀냈다. 원자.분자들이 서로 붙었다 떨어졌다 하며 구조가 변하는 과정을 단계별로 소상히 보여줄 것으로 기대된다. "이 분야가 발전하면 여러가지 분자를 모아 놓고 원하는 반응만 일어나도록 할 수 있다"고 말했다. 펨토 레이저는 에너지를 엄청나게 크게 할 수 있다는 특징이 있어 핵융합을 일으키는 데도 쓰일 . 핵 융합은 수소나 헬륨처럼 가벼운 원자핵들이 한 데 합쳐 더 무거운 원자핵으로 변하는 것. 이때 엄청난 에너지가 생긴다. 핵융합을 일으키려면 가벼운 원자핵들이 한데 뭉치도록 밀어붙이는데 막강한 에너지의 펨토 레이저를 이용할 수 있다. 수소.헬륨 원자핵들이 들어붙도록 사방에서 강한 펨토 레이저로 압력을 가하는 것이다. 머리카락 굵기의 1만분의 1에 불과한 나노 크기 반도체 회로를 새기는 데도 쓸 수 있고, 각막 수술 등에도 이용할 수 있다는 것이 최근 밝혀졌다. "펨토 레이저는 초고속 정보 전달에도 이용될 수 있다
* 펨토기술의 세계
찰나의 시간도 정확히 잰다 나노의 100만분의 1 수준…라식수술 활용땐 각막손상 줄여
펨토는 1천조분의1이다. 요즘 널리 알려진 나노보다 6개나 많다. 펨토초.펨토m라고 하면 인간이 만들거나 측량할 수 있는 시간.거리로서는 극한에 가까운 것이다. 적외선 레이저로 아주 높은 주파수를 만들어 1. 8펨토초의 X선을 얻었다. 이 X선의 요철(凹凸:펄스)의 숫자를 세어 펨토초의 시간을 측정할 수 있는 광학시계를 만들 수 있다. 그 정확도는 1천조(兆)년에 1초 정도 틀릴까 말까 . 펨토 레이저는 초정밀 가공 분야에도. 펨토 레이저는 순간적으로 나오는 힘이 폭발적이어서 군더더기 없이 매끈하게 초미세 가공을 하는 데 아주 효용성이 크다. 그러나 지금까지 이 같은 펨토 레이저를 안정적으로 만드는 물질을 개발하지 못해 상용화하지 못했다. 엑시머 레이저 등은 상대적으로 긴 시간 열을 가해 정밀가공을 해서 가공면 이외의 주변도 열에 의한 손상이 불가피했다. 미시간대는 최근 펨토 레이저를 이용한 라식수술 장비를 개발했다. 자외선 레이저는 순간적인 파쇄력이 부족해 펨토 레이저에 비해 수십배 긴 시간 한 곳을 쪼여야 각막 세포를 얇게 걷어낼 수 있었고, 유전자에 흡수돼 유전자 변형 등의 우려도 있었다. 그러나 펨토 레이저는 적외선을 사용하므로 유전자에 흡수되지도 않아 문제가 없다. 열에 의한 주변부의 손상도 거의 없다. 앞으로 펨토 레이저 라식수술 장비가 기존 엑시머 레이저 장비를 대체할 날이 멀지 않았다. 초정밀 가공용 펨토 레이저를 개발했다. 레이저 발진에는 티타늄 사파이어를 사용했다. 마스크 상의 머리카락보다 훨씬 더 가는 선 중 끊어진 부분을 이 레이저로 연결할 수 있다. 지금까지 포토마스크의 경우 그 같은 불량은 버려야 했다. 펨토 레이저는 극미량의 단백질을 측정할 수 있는 바이오 칩 등의 가공도 쉽게 할 수 있다. 컴퓨터에 도면만 넣어주면 자동으로 칩에 홈을 파거나 구멍을 뚫을 수 있다."펨토 레이저는 세계적으로 상용화가 갓 시작된 첨단 기술로 초미세 가공이나 측정에 획기적인 변화를 가져올 것"이다.
3)조선일보[나노과학 관련]
*나노(Nano) 활용한 신기술 개발 잇따라, 원자현미경 탐침으로 수백만 장서 손톱크기에 담는다. 특정DNA만 찾는 기능성현미경도 나와
우주의 모든 물질은 원소(元素element)로 구성돼 있다. 우주의 근원 물질에 대한 탐구는 BC 7세기 무렵부터 그리스 철학자들에 의해 시작됐다. 우주의 근원적 물질로 탈레스는 물을, 아낙시메네스는 공기를, 헤라클레이토스는 불을, 헤시오도스는 흙이라고 주장했다. 하지만 근대에 들어와서 과학자들은 우주의 모든 물질이 100여개의 원소로 구성돼 있다는 것을 발견했다. 이 원소들의 기본적인 알갱이가 원자(原子atom)다. 원자의 세계는 너무나 작아 육안으로는 관찰할 수 없다. 예컨대 원자 중에서 가장 작은 수소 원자의 크기는 0.05㎚(1나노미터=10억분의 1m)에 불과하다. 1981년 IBM 연구소 분소는 10여년의 노력 끝에 마치 집게로 물건을 하나씩 집듯이 원자 하나를 눈으로 직접 보면서 집을 수 있는 현미경을 발명했다. 그것이 바로 원자현미경이다. 비니히 박사는 3년 전 그의 스승 로러(Rohrer) 박사와 함께 발명한 새로운 현미경이 어떻게 반도체 표면의 원자 한 개까지 선명하게 보여주는가에 대해 발표했다. 그들이 발명한 장치는 주사형(走査型) 터널링 현미경(STM)이다. 이 장치는 마치 시각 장애인이 점자책의 오목볼록한 면을 손끝으로 감지해서 글자를 읽어 나가듯이, 날카로운 금속바늘을 더듬이로 사용하여 물체 표면에 원자들이 울퉁불퉁하게 배열되어 있는 모양을 찾아낸다. 레코드 바늘로 레코드판을 읽는 원리와 비슷하다. 바늘이 달린 긴 막대기 모양의 탐침을 이용해서 원자의 표면을 읽는 셈이다. 나노기술이 발전하는 데 있어서 원자나 분자 같은 작은 대상물이 어떤 모양으로 어느 곳에 존재하는지 알아내는 것은 필수적이다. 이 현미경이 보여주는 원자의 영상은 너무도 선명해서 초기에는 과학자들이 눈으로 보이는 영상을 사실로 받아들이는 데 용기가 필요할 정도였다. 그 후 여러 과학자들의 연구를 통해 새로운 원자현미경(위에서 설명한 STM 및 그와 약간 다른 용도로 쓰이는 AFM이라는 이름의 현미경)들이 세계 각지에서 연구용이나 산업용으로 널리 쓰이고 있다. 원자현미경이 개발되면서 반도체의 재료인 실리콘 웨이퍼의 표면까지도 볼 수 있게 됐다. 현재 원자현미경은 반도체 제조 공정에서 실리콘 웨이퍼 표면의 흠을 찾아내는 데 사용되고 있다. 반도체 크기가 작아질수록 이 과정은 더욱 진가를 발휘한다. 비니히와 로러 박사는 원자 한 개를 선명하게 볼 수 있도록 만드는 데 그치지 않고 더듬이로 사용했던 뾰족한 탐침을 이용해서 원자를 직접 밀어 이동시키는 조작까지도 가능하게 만들었다. 동물들의 더듬이처럼 비니히와 로러 박사는 이들 탐침을 사용해서 원자를 이동시키고 적절히 배열할 수 있었다. 곧 원자현미경 탐침으로 사람 눈에는 보이지 않는 아주 작은 글씨까지 쓸 수 있는 극미세 시대를 열었다 IBM 연구원들은 1990년 크세논 원자 하나하나를 옮겨 IBM이라는 글씨를 썼다 나노미터 크기의 탐침을 현미경이 아닌 다른 측정장치로 사용하려는 시도도 활발하다. 대표적인 것이 나노 크기의 센서다. 과학자들은 원자현미경의 탐침이 원자나 분자 하나만 있어도 반응해서 움직인다는 데 착안, 나노 크기의 센서를 개발했다. 예를 들어 나노튜브를 이용한 탐침은 보이지 않는 가스의 존재를 알아내는 데 사용된다. 나노 크기의 탐침은 가스누출, 화재 발생, 혹은 공기오염물질의 증가 등을 경고해주는 가스 탐지 장치로 쓸 수 있다. 극소형 가스 측정장치는 작은 양의 가스에도 예민하게 작동한다. 암모니아나 이산화질소가 공기중에 미량 존재하면, 탐침에 그 가스분자들이 붙어 탐침의 전기 저항을 일정하게 변화시킨다. 이 변화를 측정하면 오염가스의 양을 알아낼 수 있다. 탐침 끝에 다른 분자를 부착시켜 특별한 용도로 쓰이는 기능성 탐침현미경도 있다. 탐침 끝에 달린 분자는 어떤 특정한 DNA를 만나면 상호간에 끌리지만, 다른 분자들과는 아무런 작용을 하지 않는다. 이 장치는 어떤 특정한 DNA만을 탐지하는 데 사용할 수 있다. 이 같은 기능성 탐침 현미경은 나노-바이오(nano-bio) 기술의 새로운 분야에서 획기적인 역할을 해낼 것으로 기대된다. 팩맨의 게임 아이디어를 이용해서 백혈구의 움직임을 감지하자는 기술이 있다. 실제로 DNA를 잡아먹어 분해시키는 뉴클레아제라는 효소의 움직임을 포착하는 데 팩맨의 아이디어가 쓰이고 있다. 생물체 내에서 활동하고 있는 뉴클레아제의 미세한 움직임을 직접 탐지하는 것은 현대의 기술로 거의 불가능하다. 효소의 움직임을 직접 감지하는 대신 프레트(FRET)라는 신기술을 사용한다. 우선 DNA를 잡아먹는 백혈구의 위아래턱 부분에 극히 작은 전등을 매단다. 이 전등은 두 턱이 서로 만나면 밝게 켜지고, 입을 벌려 턱 사이 간격이 멀어지면 어두워진다. 그림처럼 뉴클레아제(팩맨 모양으로 그린 부분)가 기다란 DNA 이중나선 사슬을 잡아먹을 때, DNA염기서열의 한 단위씩 잡아먹을 때마다 빛이 한 번씩 깜박거린다. 빛이 어떤 시간 간격으로 몇 번 깜박거렸는가는 빛에 민감한 극소형 측정장치를 달아서 알아낼 수 있다. 이를 이용해 뉴클레아제의 활동 상황을 감지할 수 있게 된다. 이렇듯 생명체 내에서 일어나는 극히 미세한 움직임을 알아낼 수 있다.
*ㅣ타노나노튜브란…ㅣ
이지마 수미오 박사는 다른 물질을 합성하던 중 흑연 전극에 붙어 있는 미확인 검댕을 발견, 과학전문지인 네이처에 발표했다. 검댕은 바로 탄소나노튜브. 그로부터 10년 간 국내 과학자들은 반도체 소자에서 차세대 디스플레이에 이르기까지 다양한 용도에 탄소나노튜브를 응용하기 위한 연구를 진행해왔다. 탄소나노튜브는 탄소 6개로 이루어진 육각형들이 서로 연결돼 관 모양을 형성한 물질이다. 관의 지름이 수～수십㎚(나노미터1㎜는 10억분의 1m)로 머리카락 굵기의 10만분의 1이다. 구리와 전기전도도가 비슷하고, 열전도율은 자연계에서 가장 좋다는 다이아몬드와 같다. 강도는

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