전자 현미경으로 바라본 바이러스의 모습 - 나노 세계를 정밀하게 볼 수 있게 해주는 고진공

전자 현미경으로 바라본 바이러스의 모습 - 나노 세계를 정밀하게 볼 수 있게 해주는 고진공

전자 현미경을 사용하면 과학자들은 가장 작은 크기의 구조도 확인하는 것이 가능합니다. 예를 들어, 바이러스와 결정격자의 세부적인 이미지를 살펴볼 수 있습니다. 그리고 전자 현미경의 내부에는 항상 고진공이 있습니다.
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새로운 마이크로 차원으로의 진보

빛의 파장으로 인해 광학 확대율은 한계가 있습니다. 물체의 크기가 0.5마이크로미터 미만인 경우, 기존의 광학 현미경으로는 관찰할 수 없습니다. 대부분의 박테리아는 이러한 방법으로 관찰할 수 있지만, 예를 들어 그보다 크기가 훨씬 작은 바이러스는 관찰이 불가능합니다. 그러한 바이러스를 관찰하기 위해서는 다른 물리적인 장치가 필요합니다.

에른스트 루스카(Ernst Ruska)와 맥스 놀(Max Knoll)은 전자를 활용했습니다. 1931년 그들은 베를린-샤를로텐부르크의 Technische Hochschule(기술 대학)에서 최초의 투과 전자 현미경(TEM-Transmission electron microscope)을 개발했습니다. 이를 통해 그들은 이전에는 사람의 눈으로 알 수 없었던 마이크로의 세계를 발견했습니다. 그들은 박막 금속박의 결정 구조를 처음으로 이미지화하고 관찰할 수 있었습니다.

빛이 아닌 입자

광학 현미경에서는 광파가 수동적으로 수집되어 렌즈를 통해 분리됩니다. 확대는 이러한 광학 효과를 통해 수행됩니다. 이는 TEM과는 완전히 다르게 작동하며, TEM은 전자 소스를 활용하여 전자가 적극적으로 가속되고 관찰할 물체로 빔을 집중하여 이동하게 됩니다. 그리고 관찰되는 물체와 입자가 상호 작용합니다. 현미경 이미지는 접촉 후 경로를 평가하여 생성됩니다. 미세 입자의 파장은 몇 피코미터(1조(兆)분의 1=10-12) 범위이므로, 전자 현미경은 차별화된 방식으로 나노미터(10억분의 1=10 -9) 범위의 구조를 보여줄 수 있습니다.

TEM을 사용하면 물체에 침투한 빔 전자가 평가됩니다. 그러나 매우 얇은 층과만 작동하며 샘플에서는 복잡한 준비가 필요합니다. 주사 전자 현미경(SEM-Scanning Electron Microscope)에서는 이러한 과정이 필요하지 않습니다. 또한, 전자빔은 3차원 물체를 그리드 패턴으로 스캔할 수도 있습니다. 빔 전자의 일부는 반사되는 반면 추가적인 전자는 물체로부터 방출됩니다. 그러면 주사 현미경이 이러한 입자를 "수집"하여 이미지를 생성합니다. 예를 들면, 이러한 방식으로 미세 구조의 이미지가 생성되며 이를 통해 우리는 매우 크게 확대된 상상 속의 괴물을 떠올릴 수 있습니다.

물체로 오고 가는 경로에서 전자의 방향이 바뀌지 않는 경우, TEM에서는 SEM과 동일하게 이미지가 생성됩니다. 그러므로 경로상에 공기 분자가 없어야 합니다. 그러므로 전자 현미경 내부에 항상 고진공이 있어야 하며, 이러한 고진공은 적합한 진공 펌프에 의해 생성됩니다. Busch 그룹은 이를 위한 다양한 솔루션을 공급합니다.

최초의 전자 현미경은 1931년 400배의 확대율을 달성했습니다. 이러한 혁신으로 공동 발명가인 에른스트 루스카(Ernst Ruska)는 55년 후인 1986년 노벨 물리학상을 수상했습니다. 그는 1938년 Siemens를 통해 이 기술을 시장에 출시했습니다. 발전을 통해 해상도가 지속적으로 향상되고 있습니다. 최근에는 투과 전자 현미경의 분해능이 0.08나노미터를 달성하여 수백만 배를 확대할 수 있습니다. 무엇보다 분자 구조를 세부적으로 매핑할 수 있습니다.

전자 현미경을 활용함으로써 처음으로 세포의 내부를 조사할 수 있게 되었습니다. 최근까지 현미경은 바이러스 연구에서 매우 중요한 역할을 하고 있습니다. 현미경을 활용하면 바이러스의 형태적 구성과 공간적 구성을 판독할 수 있습니다. 이를 통해 감염 위험 및 전파 방식에 대한 중요한 결과를 알아낼 수 있습니다. 의학 및 생물학에서 전자 현미경은 최소한 이유로 반드시 필요한 도구입니다. 재료 연구도 중요한 응용 분야 중 하나입니다.


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