옷장 속의 싱크로트론: 강력한 3D X선 현미경을 소규모 실험실로 가져오기

미시간 대학 엔지니어들이 주도한 연구에 따르면, 연구자들은 입자 가속기로 이동하지 않고도 표준 실험실에서 X선을 이용해 금속, 세라믹, 암석 내부의 미세 구조를 처음으로 연구할 수 있게 됐습니다.

새로운 기술을 사용하면 3DXRD라고도 하는 3차원 X선 회절을 더 쉽게 이용할 수 있어 학계와 산업계에서 샘플과 프로토타입을 빠르게 분석할 수 있을 뿐만 아니라 학생들에게 더 많은 기회를 제공할 수 있습니다.

3DXRD는 CT 스캔처럼 여러 각도에서 촬영한 엑스선을 사용하여 3D 영상을 재구성합니다. 영상 장치가 환자를 중심으로 회전하는 대신, 몇 밀리미터 너비의 물질 샘플이 의료용 엑스선보다 약 백만 배 더 많은 엑스선을 방출하는 강력한 빔 앞에 있는 스탠드 위에서 회전합니다.

엄청난 양의 X선은 대부분의 금속, 세라믹, 암석을 구성하는 작은 융합 결정체, 즉 다결정 물질에 대한 미세한 이미지를 생성합니다.

연구자들은 수천 개의 개별 결정의 부피, 위치, 방향, 변형률을 측정하여 재료가 기계적 응력에 어떻게 반응하는지 이해할 수 있습니다. 예를 들어, 압축된 강철 보의 샘플을 이미징하면 결정이 건물의 무게를 지탱할 때 어떻게 반응하는지 확인할 수 있으며, 이는 연구자들이 대규모 마모를 이해하는 데 도움이 됩니다.

싱크로트론은 한때 3DXRD에 필요한 충분한 X선을 생성할 수 있는 유일한 시설이었습니다. 전자가 원형 입자 가속기를 통과하면서 수많은 X선을 방출하고, 이 X선을 샘플로 조사할 수 있기 때문입니다.

싱크로트론 X선 빔은 최첨단의 세부 묘사를 제공하지만, 전 세계적으로 약 70개의 시설만 존재합니다. 연구팀은 "빔 타임"을 고려하여 프로젝트 제안서를 작성해야 합니다. 승인된 프로젝트는 최대 6일로 제한되는 실험 기간까지 6개월에서 최대 2년까지 기다려야 하는 경우가 많습니다.

이 기술을 더 널리 보급하기 위해 연구팀은 PROTO Manufacturing과 협력하여 최초의 실험실 규모 3DXRD를 맞춤 제작했습니다. 이 장비는 전체적으로 일반 가정집 욕실 크기 정도이지만, 청소용품 보관실 크기까지 축소할 수 있습니다.

"이 기술은 매우 흥미로운 데이터를 제공하기 때문에, 저는 학생들에게 싱크로트론 빔 시간의 대기 시간과 압박감 없이 가르칠 수 있는 순간을 제공하는, 위험은 높지만 보상은 큰 새로운 것을 시도할 기회를 만들고 싶었습니다."라고 Nature Communications에 게재된 이 연구의 공동 책임 저자이자 UM 기계공학 및 재료과학 및 공학 조교수인 애슐리 벅섹이 말했습니다.

이전에는 소형 장치로는 3DXRD에 필요한 충분한 X선을 생성할 수 없었습니다. 특정 지점에서 전자빔이 전자가 부딪혀 X선을 생성하는 고체 금속 표면인 양극에 너무 많은 전력을 펌핑하여 양극이 녹기 때문입니다. Lab-3DXRD는 실온에서 이미 액체 상태인 액체 금속 제트 양극을 활용하여, 이 규모에서 이전에는 불가능했던 더 많은 전력을 흡수하고 더 많은 X선을 생성할 수 있습니다.

연구진은 실험실 3D XRD, 싱크로트론 3D XRD, 실험실 회절 대조 단층촬영(LabDCT)의 세 가지 방법을 사용하여 동일한 티타늄 합금 샘플을 스캐닝하여 설계를 테스트했습니다. 실험실 회절 대조 단층촬영은 변형 정보 없이 3D로 결정 구조를 매핑하는 데 사용되는 기술입니다.

Lab-3DXRD는 매우 정확하여, 검출된 결정의 96%가 다른 두 방법과 겹쳤습니다. 특히 60마이크로미터 이상의 큰 결정에서는 좋은 결과를 보였지만, 작은 결정 중 일부는 검출하지 못했습니다. 연구진은 이미지 생성에 사용되는 X선을 감지하는 더 민감한 광자 계수 검출기를 추가하면 입자가 가장 미세한 결정도 포착하는 데 도움이 될 수 있다고 지적했습니다.

Bucsek의 연구팀은 사내에서 이 기술을 활용함으로써 새로운 실험을 시도하고, 싱크로트론에서 더 큰 실험을 준비하기 위한 매개변수를 다듬을 수 있었습니다.

"Lab-3DXRD는 멋진 뒷마당 망원경과 같고, 싱크로트론-3DXRD는 허블 망원경입니다. 허블이 필요한 상황도 여전히 있지만, 이제 우리는 모든 것을 미리 시험해 볼 수 있기 때문에 그런 대규모 실험에 충분히 대비하고 있습니다."라고 Bucsek은 말했습니다.

lab-3DXRD는 실험에 더 쉽게 접근할 수 있도록 하는 것 외에도 연구자들이 싱크로트론의 6일 한계를 넘어 프로젝트를 확장할 수 있도록 해줍니다. 이는 특히 순환 하중(재료가 수천 번의 사이클에 걸쳐 반복되는 응력에 어떻게 반응하는지)을 연구할 때 유용합니다.

본 연구의 제1저자이자 공동 책임저자인 오승희는 연구 당시 기계공학 연구원이었으며, 현재 아르곤 국립 연구소의 X선 과학 부서에서 근무하고 있습니다.

이 연구는 미국 국립과학재단(CMMI-2142302; DMR-1829070)과 미국 에너지부(수상 DE-SC0008637)의 자금 지원을 받았습니다.

PROTO Manufacturing의 연구자들도 이 연구에 기여했습니다.

LabDCT는 미시간 재료 특성화 센터에서 수행되었습니다.

연구: 싱크로트론에서 실험실 규모로 3차원 X선 회절(3DXRD)을 도입(DOI: 10.1038/s41467-025-58255-x)

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/04/250429162103.htm