2018 IBS Art in Science
펨토은하의 조각
by 이민철
강상관계 물질 연구단
찰나의 순간에 빛을 쏘는 '펨토초 레이저'가 광활한 밤하늘에 은하를 만들었다. 펨토초 레이저가 1000조 분의 1초 만에 만든 길을 따라 칼슘루테네이트(Ca2RuO4) 단결정 시료는 파괴되어 버렸다. 하지만 그 모습이 마치 마치 행성의 궤도처럼 뚜렷한 선으로 나타났다. 칼슘루테네이트(Ca2RuO4)는 물질 내 전자들이 서로 강한 영향을 주고받는 강상관계 물질이다. 강상관계 물질은 전자 구조와 격자 구조 사이 강한 상관관계로 인해 물리적 접촉 없이 빛만 흡수해도 시료가 파괴될 정도로 구조가 크게 변할 수 있다. 시료를 붙이기 위해 사용된 붉은 접착제는 죽음을 맞이하고 폭발하는 별, 초신성이 떠오른다. 검은색의 칼슘루테네이트(Ca2RuO4) 시료는 칠흑 같은 우주의 어둠을 보여주고 파괴된 시료의 파편들은 우주 속 흩뿌려진 행성들을 연상시킨다. 마치 은하처럼.
다이아몬드와 와인
by 매튜 콕
강상관계 물질 연구단
다이아몬드 반지 사이로 레드와인 한 방울이 툭 떨어졌다. 이 낭만적인 사진은 영국 다이아몬드 방사광 가속기(전자를 빛과 같은 속도로 가속시키는 장치) 연구소에서 촬영됐다. 자성을 띠는 물질인 삼황화린망간(MnPS3)은 2층 구조의 2차원 물질이다. 상온 상압에서는 싱그러운 라임의 색을 띠지만 산소조차 고체로 변하는 고압의 세계에서는 최상급 보르도 클라레 와인 한 방울 같은 심홍색으로 바뀐다. 다이아몬드가 대기압의 10만 배에 이르는 압력을 가하자 에너지를 잃고 붉게 변한 것이다. 30만 기압 아래 극한 상황 속 와인 방울은 어떻게 변할까? 연구에 따르면 전기가 통하지 않았던 삼황화린망간(MnPS3)은 선명하게 빛나는 광택을 지닌 금속이 된다고 한다.
도넛 안의 유화
by 이기훈
강상관계 물질 연구단
한 입 베어 물면 달콤한 설탕 시럽이 흐를 것 같은 도넛의 속살이 형형색색의 곡선들로 가득하다. 삼각 격자 속에 늘어선 스핀(spin, 입자의 운동과 무관한 고유한 각운동량)의 들뜬 상태인 스핀 파동이 존재하는 운동량 공간에 색을 입혀 한 폭의 유화작품처럼 표현했다. 스핀은 아주 미세한 막대자석처럼 행동하는데 반강자성 삼각격자에서는 서로 120도로 벌어진 상태로 정렬한다. 도넛의 내부처럼 닫힌 운동량 공간의 표면에 120도로 정렬된 상태의 스핀 파동의 베리 곡률(Berry curvature) 따라 색을 입혔다. 베리 곡률은 매개변수 공간(예를 들면 운동량) 내의 파동 함수의 기하학적 특성을 담고 있는 양으로 최근 응집물질 물리학에서 중요하게 다뤄진다. 곡률의 크기에 따라 도넛의 각 부분은 서로 다른 색으로 빛난다. 세 개의 검은 선이 만나는 지점은 그 값이 가장 큰 곳이다.
CBST 안의 은하수
by 김재준
강상관계 물질 연구단
자기장을 발생시켜 금속을 끌어당기는 성질, 즉 자성은 어디서 어떻게 만들어질까. 전기를 전달하지 않는 절연체이지만 표면에만 전기가 통하는 위상절연체를 살펴보면 그 해답을 얻을 수 있다. 비스무트(Bi), 안티몬(Sb), 텔루륨(Te)로 이뤄진 위상절연체 (Bi0.1Sb0.9)2Te3에 크롬(Cr)을 부분적으로 주입하면 CBST(Crx(Bi0.1Sb0.9)2-xTe3)가 강자성을 띄게 된다. 이 사진은 자성 구역의 경계를 찾고자 주사터널링현미경(Scanning Tunneling Microscope, STM)*으로 CBST를 관찰한 장면이다. 실제로는 가로 384nm**, 세로 216nm 크기의 사진 속에 담긴 모습이 별빛이 쏟아지는 은하수처럼 느껴진다.
촉매가 살아있다고?
by 김정진
나노물질 및 화학반응 연구단
광활한 우주에 비해 미물에 불과한 나비의 움직임이 거대한 태풍을 부르는 '나비효과'처럼, 세상에서 가장 작은 물질인 원자의 파동에도 나비효과가 있다. 분자들과 원자들이 만나 충돌하는 과정에서 예측하지 못했던 새롭고 거대한 움직임이 태동되기 때문이다. 이 사진에는 백금(Pt)-니켈(Ni) 촉매의 표면을 구성하는 원자층 위에서 일산화탄소 분자와 산소 분자가 충돌을 반복하는 과정이 담겼다. 표면이 충돌에 의해 재구성되는 과정은 그간 밝혀지지 않았던 촉매 반응의 비밀들을 풀 열쇠를 쥐고 있다. 촉매 물질의 표면을 따라 끊임없이 배열된 원자들이 마치 살아있는 것처럼 보인다.
나노세계를 통해 본 인류
by 이효선
나노물질 및 화학반응 연구단
우리의 눈으로는 보이지 않는 나노 세계를 자세히 들여다보자. 규칙적으로 나열된 나노입자 속 원자들은 제자리를 견고히 지킬 것만 같지만, 주변 환경이 바뀌면 원자들도 그에 맞춰 서서히 변화한다. 본 작품은 코발트 산화물(CoO) 층이 백금-코발트(Pt3Co) 합금 나노입자 표면에서 생성되고 있는 모습을 실시간으로 관찰한 투과전자현미경(TEM)* 영상이다. 산소 가스가 가득 들어찬 환경에서 열을 가하자 코발트 원자가 하나씩 합금 나노입자 표면으로 이동해 산화물 층을 형성한다. 그 과정에서 화학반응 속도를 빠르게 혹은 느리게 만드는 촉매 반응이 더 활성화된다. 변화하는 환경에 발맞춰 서서히 적응하고, 더 나은 방향으로 나아가는 인류의 모습을 작은 나노입자에서 비춰본다.
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별 헤는 밤
by 김동욱
분자활성 촉매반응 연구단
해질녘 붉게 물든 밤하늘에 뜬 별이 떠오르는 이 사진은 단결정이 빛을 받아 내보내는 회절 패턴을 담은 것이다. 자연이 가진 대표적인 특징이자 매력인 대칭과 균형이 잘 드러난다. 규칙적이면서 대칭성을 가진 단결정의 회절은 마찬가지로 규칙성이 있는 형태로 관찰된다. 회절 패턴*으로 나타나는 분산된 점들의 배열도 나름의 질서를 갖고 있다. 마치 밤하늘에 별들이 수놓아진 것처럼 아름다움이 느껴진다. 별 하나에 추억, 별 하나에 사랑. 별 하나에 쓸쓸함을 떠오르게 하는 윤동주 시인의 '별 헤는 밤'처럼.
분자 세상에서의 골프 경기:버디 혹은 보기?
by 박지용
분자활성 촉매반응 연구단
화학 반응은 일종의 골프경기다. 화학 반응에 필요한 에너지 변화의 크기를 색으로 구분하면 고도가 들쑥날쑥한 골프장이 나타난다. 분자 세상 속 골프장이다. 이 작품은 탄소 고리를 만드는 화학반응 에너지 경로를 골프장 위 검은 화살표로 표현했다. 화학반응의 생성물을 얻기 위해서는 울퉁불퉁한 언덕들 사이 가장 낮은 지점인 전이상태(A-TS-B)를 넘어야만 한다. 골프장이 쏙 들어가는 홀컵에 이르러야 비로소 반응 생성물이 얻어지기 때문이다. 화학자들의 역할은 골프장의 홀컵까지 도달하는 최선의 경로를 찾는 데 있다. 탄소고리 골프경기는 어떨까. 전이 상태를 지나 퍼팅에 성공하면 '사이클로프로팬'이, 고난이도 구간인 해저드에 떨어진다면 '사이클로부탄'이 생성된다. 버디(Birdie)*냐 보기(Bogey)**냐 그것이 문제로다.
마이크로 세계 속 우리
by 남기범
첨단연성물질 연구단
광학 집게는 레이저 빔을 이용해 마이크로 크기(μm)의 물체를 잡을 수 있는 과학 장비다. 광선 에너지를 이용해 입자를 레이저 빔 안에 가두는 원리로 작동한다.
홀로그래픽 광학 집게는 하나의 레이저 광원으로부터 여러 개의 광학 집게를 만들어 낼 수 있다. 임의의 위치에 여러 개의 광학집게를 생성하는 것도 가능하다.홀로그래픽 광학 집게를 이용해 'ibs. CSLM' 문구를 만들었다. CSLM은 작가가 현재 소속되어 있는 첨단연성물질 연구단(Center for Soft and Living Matter)의 줄임말이다. 문구에 나타난 점들은 2마이크로미터* 크기의 폴리스티렌 입자다.
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DNA 천태만상
by 아니샤 샤캬
첨단연성물질 연구단
유전정보를 담고 있는 DNA는 전해질로 이뤄진 중합체(polymer)다. 반대 전하를 띤 양이온성 중합체와 상호작용을 할 때 다양한 상(相, phase)을 갖는다. 우리 몸을 이루는 수많은 중합체들은 서로 끊임없이 상호작용한다. 그 결과로 나타나는 다양한 상은 생체 작동에 중요한 역할을 하지만 상을 예측하고 조종하는 일은 미지의 영역으로 남아 있다.
콜라주 기법으로 만들어진 이 작품은 DNA가 액체 상태, 다중구획 유사 액체, 액체 결정, 그리고 반-고체 상태로 응축된 이미지들을 각각 보여준다. 눈길을 사로잡는 현미경 아래 다양한 형태가 과학자의 예술적 상상력을 자극한다. DNA 상이 보여주는 다채로운 모습을 엮어 DNA 천태만상이라는 이름을 지었다.
숲 속의 나무 한 그루
by 이규희
인지 및 사회성 연구단
나무들이 모여서 숲을 이루듯 무수히 많은 신경세포들이 모여 뇌를 구성한다. 나무 한 그루만 보고는 전체 숲의 모습을 알 수 없고, 멀리서 숲만 바라보면 어떤 나무들이 숲을 이루는지 알기 어렵다. 뇌의 기능을 연구하는 것도 이와 비슷하다. 이 사진은 생쥐의 해마 단면을 찍은 사진으로 살아있는 생쥐의 수많은 신경 세포들 중 단 하나의 CA1 피라미드 신경세포만을 탐지한 것이다. 해당 세포가 다른 많은 세포들과 어떤 상호작용으로 활성화되는지 패치클램프 기법으로 관찰했다. 패치클램프란 미세 유리 전극을 이용하여 세포막 전압을 측정하는 실험 기법이다. 패치클램프로 관찰했던 해당 세포를 찾아 모양을 관찰하기 위해 뇌 슬라이스를 형광 염색했고, 그 결과 형광 빛을 내며 오롯이 서있는 단 하나의 신경 세포를 찾아낼 수 있었다. 신경세포들이 만들어낸 숲 속에서 신경 세포 한 그루를 포착한 이미지다.
눈의 소리
by 악셀 팀머만, 추정은, 칼 스타인, 하경자
기후물리 연구단
눈은 대기 중 수증기가 얼어 결정화된 것이다. 눈은 겨울의 혹독한 추위로부터 토양과 식물들을 분리시켜 보호하기도 하고, 지구의 반사율(지구로 들어오는 태양복사 에너지를 반사시키는 정도에 대한 지수)을 높인다. 추운 지역에 쌓이면 그린란드나 남극 빙하와 같은 대륙 빙하가 형성될 수도 있다. 하지만 세상은 점점 더워지고 있고, 앞으로 눈이 내리는 날은 점점 적어질 것이다. 기후 컴퓨터 모델 시뮬레이션 결과에 따르면 2018년 1월 10일 부산에 내렸던 엄청난 강설은 다시 보기 힘들지도 모른다. 눈에 대해서 떠올려보자. 어렸을 때 만들었던 눈사람, 스릴 넘치던 눈싸움, 하늘에서 떨어지는 예쁜 눈꽃송이들이 생각난다. 피아노 즉흥 반주가 어우러진 본 동영상을 통해 우리는 눈의 아름다움 그리고 화석연료의 배출로 인한 반응으로 앞으로 닥칠 눈의 운명을 얘기하고자 한다.
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모르피우스의 눈
by 박하람
시냅스 뇌질환 연구단
그리스 신화에 등장하는 '모르피우스'는 잠을 결정하고 꿈을 만들어내는 잠의 신이다. 우리는 생의 3분의 1을 잠을 자는데 사용한다. 하지만 왜 잠을 자는지, 꿈은 어떻게 만들어지는지 아직 풀지 못한 질문들이 많이 남아 있다. 위 이미지에서 붉은 색으로 보이는 영역인 측면 시각교차구역(LPO)는 잠에 관여한다고 알려져 있다. 이 곳의 신경세포가 손상되면 불면증 등 수면장애를 겪게 된다. 많은 연구진들은 측면시각교차구역 구조의 이해가 모르피우스 영역을 이해하는 시작점이 될 것이라 예상한다. 이미지에서 활성화된 신경세포는 초록색으로, 비활성화된 신경세포는 붉은색으로 표현되었다. 파란색으로 나타난 중앙의 두 점은 세포핵에 해당한다. 수면을 관장하는 뇌의 영역을 촬영한 이미지가 마치 뇌 속 모르피우스의 눈(eye)처럼 보인다.
기억의 단층
by 최연수
시냅스 뇌질환 연구단
우리 뇌 속 해양 생물을 닮아 붙여진 '해마'는 단기 기억 저장을 담당한다. 하나의 신경세포는 수억 개의 신호를 다른 신경세포로부터 받아 정보를 처리한다. 신경세포들은 시냅스를 통해 각종 전기‧화학적 신호를 전달하는데, 신경세포 간 사이는 시냅스 접착 단백질이 다리 역할을 수행한다.
해마의 단면에 위치한 CA1 구역을 시각화하기 위해 흥분성 시냅스는 녹색으로, 시냅스 접착 단백질은 빨간색으로, 세포핵은 파란색으로 염색했다. 형형색색으로 나타난 해마의 단층은 분리된 신경세포가 각기 다른 방향에서 오는 신호들을 한데 모아 처리한다는 사실을 보여준다. 한 신경세포 내 단백질의 구역이 빨간색, 녹색, 파란색으로 층을 이뤄 발현하고 있다. 우리의 뇌는 이 글을 읽는 지금 이 순간에도 정보를 처리하고 있다. 끊임없이 밀려들어오는 뇌 신호를 기억의 단층을 만들어 내며.
이중 재난
by 이은경
시냅스 뇌질환 연구단
행동실험 중 하나인 모리스 수중 미로 실험 중 생긴 헤프닝을 재밌게 표현했다. 모리스 수중 미로 실험은 생쥐가 헤엄치며 공간을 지각하고 기억에 의존해 물속에 숨겨진 탈출 섬을 찾는 게 핵심이다. 여러 번의 학습을 거치면 생쥐는 탈출 섬을 20초에서 1분 사이에 찾게 된다. 동영상 속 생쥐는 너무 똑똑해 탈출 섬을 한 번에 찾고 지름 100cm의 수중 탱크를 탈출해버린다. 보통의 생쥐들은 탈출 섬을 찾는데 헤매기도 하고, 찾더라도 가만히 기다리곤 한다. 똑똑한 생쥐가 벌인 이 헤프닝은 굉장히 관찰하기 드문 현상이었다. 어디로 튈지 모르는 생쥐의 톡톡 튀는 특성을 팝아트 작가인 앤디 워홀의 작품 '실버 카 크래쉬, 이중재난'과 백남준의 비디오 아트 '달걀이 성장하다' 라는 작품의 요소를 가미해 나만의 '이중재난' 작품을 만들어 보았다. 실험 중 발생한 예기치 못한 사고와 최종 결과 값에서 튀어버리는 똑똑한 생쥐는 연구자에게 이중 재난이나 다름없기 때문이다.
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비밀의 문
by 정미정
중이온가속기건설구축사업단
사진 속 작은 알갱이들은 희귀 동위원소를 생성하기 위해 제작된 LaC2 (탄화 란타늄) 입자들이다. 자연에 아직까지 알려지지 않은 희귀동위원소를 만들어 내기 위한 방식 중의 하나로 가벼운 이온을 무거운 원소의 표적에 충돌시켜 많은 양의 희귀 동위 원소를 만들어내는 방식이 있는데, 이 방식을 ISOL(Isotope Separation On-Line, 온라인 동위원소 분리) 방식이라 한다. 현재 세계 여러 ISOL 시설에서는 다양한 형태의 표적을 개발, 사용하고 있다. 중이온가속기건설구축사업단(RISP)에서 개발 중인 LaC2 표적은 얇은 두께의 디스크 형태 이다. 디스크 형 표적은 LaC2 입자들이 디스크 전체 면적에 골고루 퍼져 있어야 양성자 빔과 표적의 충돌 시 발생하는 온도 상승을 막아 표적손상을 방지할 수 있다. 표적을 제작하던 중 디스크 일부 구역에서 입자끼리 뭉쳐지는 결정 현상이 관찰되었다. 입자끼리 서로 뭉쳐지며 주변에 구멍이 생긴 모습이 꼭 알리바바가 들어간 비밀의 동굴처럼 보인다.
자화상_ALICE, 셀카로 자신의 모습을 담다
by 매그너스 마거
유럽입자물리연구소 응용 물리학자
ALICE는 유럽입자물리연구소(CERN)의 대형강입자가속기(LHC)에서 진행되고 있는 연구 프로젝트다. 초기 우주에서 빅뱅 직후 핵에서 떨어져 나온 쿼크와 글루온과 같은 소립자가 자유롭게 섞여있는 현상을 재현해, 우주 만물을 구성하는 입자를 밝히는 연구다.
ALICE 내부 입자 검출기에는 2500개의 CMOS 이미지 센서가 부착된다. CMOS 이미지 센서는 디지털 카메라의 필름 역할을 하며 우리 일상생활에도 밀접한 기술로서, 고에너지 중이온의 충돌에서 생성되는 수많은 입자들을12.5 기가 픽셀 화소의 이미지로 포착한다.
CMOS 센서는 전기를 띤 입자를 검출할뿐 아니라, 빛의 세기에 아주 민감하게 반응한다. 아날로그 SLR 카메라에 35mm 필름 대신 CMOS 이미지 센서가 부착된 검출기 부품이 활용됐다. 마치 디지털 카메라로 셀카를 촬영하듯이, ALICE 내부 입자 검출기가 자신의 주요 모습을 포착했다.
흑백 CMOS 센서로 고유의 분위기를 자아내며, 검은점과 흰점은 어두운 곳에서 고감도로 촬영해 임의로 연출된 노이즈다. 흰색 영역에 나타나 있는 사각 검정 패턴은 센서 위에 부착되어 있는 미세한 기판의 모습이 빛을 가려서 보이는 현상이다.
(자문:IBS 지하실험 연구단 하창현 연구위원)
칸토르의 꽃다발
by 프랑스국립과학연구원
수학모델에서 재귀*함수로 정의되는 줄리아 집합 중 지수함수로 나타나는 칸토르의 꽃다발. 줄리아 집합은 프랙탈(Fractal) 구조의 일종이다. 프랙탈 구조는 고사리처럼 부분이 전체를 닮은 과정이 끊임없이 반복되는 기하학적 구조이다. 줄리아 집합 모형은 위상수학에서 "공간속에서 연속되어있다"라는 개념을 연구하는 연속체이론에서 나오는 렐렉의 날개와 같은 모습을 띈다. 개별 직선의 끝점이 다른 직선들의 각각의 점으로 조밀하게(densely) 모이는 형상이 무한히 반복되며 직선의 합집합을 이룬다.
핵심 궤도 모델
by 프랑스국립과학연구원
고슴도치를 닮은 핵심 궤도 모델. 프랙탈 구조로서, 중앙의 검정 부분은 중심점에서 사방으로 퍼져나가는 점들이 밀집해있어 구현 가능한 해상도로 명확히 표현되지 못하고 전체적으로 검게 표현됐다.
(자문 IBS 기하학 수리물리 연구단 김선화 연구위원)
이미지1
by 프랑스국립과학연구원
쥐의 해마 신경세포가 공초점 광학 현미경* 통해 고해상도 3차원 이미지로 재구성되었다. 보라색은 세포질, 파란색은 축삭(신경돌기: 신경세포에서 뻗어 나온 가지), 노란색은 핵. 각 구획을 표지하는 형광항체를 이용해 신경세포 이미지를 포착했다.
이미지2
by 프랑스국립과학연구원
세포핵과 특이하게 결합하는 DAPI 형광표지항체를 이용해 (면역형광염색법) 세포핵이 파란색으로 표지됐다.
(자문: IBS 시냅스 뇌질환 연구단 정화진 연구위원)
뮤온 압축 솔레노이드(CMS)-과학 건축의 아름다움
by 마이클 호치
유럽입자물리연구소
예술작품이라 해도 과언이 아니라는 찬사를 받는 뮤온 압축솔레노이드(CMS). 유럽입자물리연구소(CERN)의 대형강입자가속기(LHC)는 둘레만 27km에 이르며 세계 최대 '빅뱅 머신'이라 불린다. LHC는 입자물리학 표준모형이 이론과 계산만으로 예측한 힉스 입자의 존재를 증명했다. 힉스 입자의 존재를 이론으로 발견한 공로는 2013년 노벨물리학상의 수상으로 이어졌다.
LHC에는 CMS를 포함한 네 대의 검출기가 설치되어 있다. CMS는 초고속 카메라처럼, LHC에서 충돌을 일으킨 입자들의 고해상도 3D 이미지를 초당 최대 4000만장까지 촬영할 수 있다. 인류가 우주의 신비를 밝히는데 고도의 정밀함을 기하는 CERN의 대형 최첨단 실험 장비는 최고의 연구 시설이다. 뿐만 아니라 거대하고 웅장한 규모와 색상 그리고 고유의 기하학적 구조는 아름다운 예술 작품이기도 하다. CMS의 미학은 거대한 초정밀 카메라로써의 기능에 있다. 물리적인 제약을 뛰어넘어, 고도의 정밀함으로 우주의 신비를 풀어줄 다양한 현상들을 포착해 내고 있다.
The colors of CMS
by 마이클 호치
유럽입자물리연구소
100m 지하 실험 공간에서 지상을 향해 바라본 CMS 검출기의 모습
CMS Space Gate
by 마이클 호치
유럽입자물리연구소
CMS 검출기는 LHC의 빔파이프를 중심으로 지름 20m의 완벽한 원형 구조를 가진다.
LHC P5 Interaction Point
by 마이클 호치
유럽입자물리연구소
LHC의 입자 충돌 지점을 둘러싸고 있는 CMS 검출기
Cable Map
by 마이클 호치
유럽입자물리연구소
기능별로 구획화된 CMS 케이블 배선. 마치 현대 도시의 복잡한 도로망을 연상시킨다.
(자문 IBS 지하실험 연구단 소중호 선임기술원)
2017 IBS Art in Science
만남
by 강순민
강상관계 물질 연구단
4축 단결정 X-선 산란(SC-XRD)은 물질의 구조와 결정성을 확인하는 중요한 실험방법이다. x-선 산란 실험을 수행하면 역격자 공간에서의 물질 구조를 직접적으로 확인할 수 있는데 실험을 수행하는 각도와 조건에 따라 때때로 신기한 패턴이 나타난다. 본 이미지는 바나듐셀레나이드(VSe2)의 구조를 X-선 산란 실험으로 28K(-245℃)와 300K(27℃)에서 관측한 결과다. 역격자 공간의 패턴이 디즈니 애니메이션의 주인공인 니모(흰동가리, 물고기)와 닮아 있다. 이에 착안해 니모가 잃어버렸던 아버지 말린과 만나는 모습을 구현해보았다. 이미지의 흐릿한 경계선과 표면의 점, 화려한 색이 어두운 바탕색에 대비되어 몽환적인 분위기가 느껴진다.
초전도체가 만든 가을
by 손수한
강상관계 물질 연구단
형형색색이 어우러진 가을의 산을 연상케 하는 이 이미지는 초전도체가 만들어준 것이다. 나이오븀 다이셀레나이드(NbSe2), 나이오븀(Nb)과 셀레늄(Se)의 합성물질)는 준 2차원 층상구조를 가져 저온에서 저항이 0이 되는 초전도체이다. 이 그림은 나이오븀 다이셀레나이드를 기계적 박리법으로 처리해 수십 개의 원자층으로 만든 후 원자간력현미경(Atomic Force Microscope, AFM)으로 측정했다. 이 데이터를 3D로 나타내니 표면의 높이 차이가 발생하면서 역동적인 이미지가 되었다. 가상세계의 자연을 한 폭의 풍경화로 나타낸 듯 강렬한 색감의 대비가 감각적으로 느껴진다.
* 원자간력현미경 : 원자 크기의 미세한 탐침자가 일정한 거리를 두고 물질의 표면을 읽어 상을 만드는 현미경. 탐침과 표면의 원자간 힘을 측정해 표면의 삼차원 상을 그려낸다.
분광 이미징 주사 터널 현미경의 스펙트럼(Spectrum of SI-STM 1)
by 이경석
강상관계 물질 연구단
분광 주사터널현미경(Spectroscopic Imaging Scanning Tunneling Microscope, SI-STM)은 물질의 표면을 원자 수준으로 관찰할 수 있는 현미경이다. 이 외에도 물질의 성질을 알 수 있는 운동량 공간에서 전자 구조도 측정할 수 있다. 위 이미지는 분광 주사터널현미경(SI-STM)의 설계부터 완성까지의 기억 – 기쁨, 기대, 좌절, 희망, 노력 등이 기록된 사진 –을 모아 만들었다. 주사터널현미경은 원자 단위의 분해능을 가지므로 고도의 방음, 방진이 필요하다. 모자이크로 만든 이미지는 오랜 시간 고생해 구축한 분광 주사터널현미경이 설치된 방진동, 방음실의 내부다. 파란색 원기둥은 14T(테슬라) 자석 액체 헬륨 용기로 그 안에 위치한 STM 헤드와 저온 장치가 극저온으로 유지되고 있다. 우리는 이 모자이크 형식을 빌어 눈앞에 보이는 과학 장비인 STM이 단순한 부품들의 조립이 아닌 수 년 동안의 많은 사람들의 노력으로 이뤄졌다는 사실을 말하고자 했다. 모자이크 기법으로 제작된 본 작품은 픽셀 하나하나가 연구자들이 만든 이미지로 채워져 있어 더욱 흥미롭다.
바람에 흩날리는 잎새 : 제브라피시 뇌 안 에서
by 김문석
분자 분광학 및 동력학 연구단
본 작품은 수정 후 2주된 제브라피시(zebrafish) 후뇌부 영역을 촬영한 3차원 영상이다. 살아있는 생체를 염색하지 않고 그대로 고해상도 적응광학 현미경 기술로 촬영했다. 뇌의 표면에서 100 μm 깊이까지 100 μm2 안에 복잡하게 분포한 뉴런을 보여주고 있다. 제브라피시 내부에서 일어나는 빛의 굴절과 산란으로 인해 기존의 방식으로는 고해상도 영상을 얻을 수 없었다. 이러한 한계를 극복하고자 빛의 왜곡을 계산해 원래 영상을 복원할 수 있는 컴퓨터를 이용한 획기적 적응광학 현미경 기술을 개발했다. 영상 대조(contrast)가 너무 좋은 나머지 매우 얇은 멤브레인(membrane)에서 발생하는 간섭무늬까지 선명하게 관찰할 수 있다. 스치듯 나타났다 사라지는 뉴런의 모습이 가을바람에 흩날리는 잎새를 연상시킨다.
몸짱 제브라피시
by 조용현
분자 분광학 및 동력학 연구단
위 사진은 부화 후 10일 된 제브라피시(zebrafish)의 척수(spinal cord, 뇌와 말초신경의 중간다리 역할을 하는 척추 내 중추신경의 일부분) 부위 근육 조직을 찍은 것이다. 렌즈에 따른 화질저하현상을 보정한 고해상도 현미경 기술을 사용해 비표지 방식(형광입자 없이도 관찰 가능한 방식)으로 이미지를 얻었다. 건강한 제브라피시는 작은 어항 안에서도 빠르게 헤엄친다. 힘차게 헤엄치는 제브라피시의 원동력은 튼튼한 근육이다. 굵직한 척추기립근의 분리와 섬세한 근섬유의 구분이 두드러져 보인다. 곧 마취되어 단단한 한천(agar, 겔)에 갇힌다는 것을 알고 있었는지 근육을 키워 운명을 저항하려 했던 제브라피시의 의지와 기개가 느껴진다. 비대칭적인 구도와 유연한 형태, 빛의 강약이 작품 내 리듬감과 공간감을 준다.
Z-드래곤
by 홍진희
분자 분광학 및 동력학 연구단
인간을 비롯한 척추동물의 신경계는 수초(Myelin sheath, 신경섬유 주위를 둘러싼 피막)로 싸여 있어 보다 빨리 전기적 신호를 몸의 각 부위로 전달할 수 있다. 전기신호가 누출되지 않도록 피복하여 보호하는 셈이다. 본 작품은 제브라피시(zebrafish)의 수초를 이루는 세포 안에 형광단백질(green fluorescent protein)을 발현시켜 공초점 레이저 현미경*으로 찍은 이미지이다. 부화 후 14일 된 제브라피시 중추 신경계의 척수(spinal cord)와 말초 신경다발들이 초록색 형광으로 빛난다. 마치 당장이라도 도약하려는 한 마리의 용처럼 보인다. 강렬한 색의 대비와 사선의 구도에서 속도감과 운동감이 느껴진다. Z-드래곤이라는 재치 있는 제목도 눈여겨 볼 만하다.
* 공초점 레이저 현미경: 레이저와 컴퓨터를 광학현미경에 접속시킨 것으로 세포, 조직, 세포소기관이나 분자에 초점을 맞춰 시료에서 발생한 형광, 반사광 및 투사광을 화소(pixel) 단위의 이미지로 만드는 방식의 현미경
이제 나를 봐요 : RNA와 나노입자의 흔적
by 김성찬
RNA 연구단
RNA는 생명현상을 주관하는 단백질 발현에 중요한 역할을 하는 물질이다. RNA를 이용한 약물 전달은 분자 수준에서 다양한 질병을 치료하기 위한 새로운 시도이다. 그러나 RNA를 정확한 표적 지점까지 이동 시키는 것에는 한계가 있다. 연구진은 RNA가 세포 내로 안전하게 유입될 수 있도록 다기능 RNA 전달체를 개발했다. RNA 전달체는 생체에 적합한 형광나노입자(파랑)와 형광 물질이 붙은 RNA(빨강)로 구성돼 실시간 바이오이미징이 가능하다. 이 연구를 발전시킨다면 생체에 적용할 수 있는 형광나노입자기반 RNAi(RNA 간섭기술) 및 바이오이미징 시스템 개발이 가능할 것으로 보인다.
부분과 전체 삼부작: 접, 모래톱, 밤하늘로의 이륙
by 김경덕
시냅스 뇌질환 연구단
본 삼부작은 인간의 뇌가 ‘작은 우주’임을 주제로 삼았다. 첫 번째 작품, 밤하늘로의 이륙에서는 우리 뇌의 구조가 마치 하늘에서 보는 도시의 풍경과 같다는 데 착안했다. 두 번째 작품, 접(接)에서는 시냅스를 포함하는 거대 구조인 신경세포가 다시 시냅스처럼 생긴 구조를 이루는 것에 감탄해 제목을 지었다. 세 번째 작품 모래톱은 뇌 안을 흐르는 정보가 우리가 볼 수 있는 물줄기처럼 보이는 것에 주목했다. 삼부작 사진들의 신경세포들은 형광단백질을 발현하며 스스로 빛났다. 삼부작의 제목은 양자 물리학의 대가 하이젠베르크(Werner Heisenberg, 1901-1976)의 명저, ‘부분과 전체’에서 따왔다.
뇌 속 정원 : 연결 고리
by 육채현
시냅스 뇌질환 연구단
연못과 담쟁이류의 식물들, 이름 모를 들꽃들이 정원을 가득 채우고 있다. 숲속의 밤 풍경을 연상시키는 이 이미지는 놀랍게도 생쥐의 전전두엽의 피질을 촬영한 것이다. 복잡한 신경망과 회로를 만드는 시냅스는 각각의 신경세포들을 연결시켜 신경전달을 일으킨다. 시냅스는 크기가 작고 수가 매우 많아 광학현미경으로 관찰하려면 특별한 표지 방법이 필요하다. 위 작품은 시냅스가 연결하는 신경세포들과 시냅스를 동시에 표지할 수 있는 mGRASP 기술을 이용해 자폐증과 지적장애 모델 생쥐인 Fmr1 유전자 결손 생쥐의 내측 전전두엽 피질을 관찰한 결과다. 시냅스들은(빨간색) 시냅스 전 신경세포와 시냅스 후 신경세포의 신경세포돌기의(초록색) 접점에 위치해 있고 세포체들은(파란색) 피질 깊은 곳에 위치해 있다. 본 작품의 이미지를 통해 Fmr1 유전자 결손 생쥐의 전두엽 피질 내부 회로의 시냅스 분포를 조사하고, 신경 질환들과 관련된 연결망 특성에 대해 유추할 수 있다.
섬광
by 이은경
시냅스 뇌질환 연구단
4개의 이미지는 해마로부터 얻은 피라미드 신경세포의 수상돌기이다. 수상돌기는 신경 자극을 연결하는 가느다란 세포질의 돌기다. 인간의 뇌는 약 1,000억 개의 신경세포(뉴런)으로 구성되어 있다. 이 중 장기기억과 관련 있는 피라미드 세포는 10억 개 정도뿐이다. 배양된 피라미드 신경세포에 형광 단백질을 발현시켜 수상돌기 소극체 모양과 수를 확인하는 연구 과정 중 이 이미지들을 포착했다. 밤하늘의 번개처럼 보이는 원본 이미지를 얻은 뒤(왼쪽 상단), 이를 가공하여 섬광, 느낌, 잔상의 이미지를 강화해 다른 3개의 이미지를 구성했다. 자연현상을 우리 뇌에서도 볼 수 있다는 것이 신기하다.
플러렌 꽃
by 최희철
원자제어 저차원 전자계 연구단
플러렌은 가장 작으면서 안정적인 탄소 기반 분자이다. 최근 많은 연구자들은 다양한 형태와 결정 구조로 인해 다른 광학적, 전기적 특성을 가지는 플러렌 분자의 용액 기반 자기조립에 초점을 맞추어 연구를 진행하고 있다. 여섯 개의 대칭 꽃잎을 가진 독특한 꽃 모양의 플러렌 결정 사진은 C60와 C70 분자의 결정화가 동시에 이루어지면서 얻어진 것이다. 이 특별한 결정은 메시틸렌(유기용매 종류)에 대한 C60와 C70 분자의 용해도 차이로 생긴다. 용해도 차이가 결정화 초기과정에서 여섯 면의 대칭을 가지는 C70의 핵 성장을 촉진하면, C60와 C70 분자의 결정화가 동시에 이루어지며 관찰된다.
나노 에셔 계단
by 박제욱
원자제어 저차원 전자계 연구단
주사 터널링 현미경(STM)으로 얻은 코발트(Co)와 탄탈륨(Ta) 원자들이 구리 단결정 (Cu(111)) 위에서 자기 조립되어 형성한 표면 이미지다. 원자 수준에서 자성을 연구할 수 있는 주사 터널링 현미경으로 자성을 띄는 코발트 원자로 이루어진 나노 섬(노란색)을 관찰했다. 나노막대 형태의 푸른빛을 띄는 탄탈륨 원자들은 계단을 연상시킨다. 실제 원자의 표면을 따라가며 얻은 이 이미지를 보니 네덜란드의 유명화가 에셔의 판화작품 ‘상대성’(Relativity, 1953)이 떠오른다. 한편 물결이 넘실거리는 푸른 바다 위 노란 섬이 떠다니는 가상의 공간같기도 하다.
푸른 도깨비
by 이유리
식물 노화·수명 연구단
위 사진은 꽃잎과 꽃받침 등 꽃의 기관 일부가 떨어지고 난 후 꽃의 모습이다. 모델식물인 애기장대 꽃을 세포벽을 염색하는 시약(calcofluor white)으로 처리하고 형광 현미경으로 관찰했다. 자외선에 의해 세포 내 전자들이 들떠(excitation) 푸른 파장대의 빛을 내고 있다. 꽃잎과 꽃받침이 떨어지고 남아있는 세포의 모습이 꼭 상상 속의 도깨비를 닮았다. 푸른색이 매끄러운 질감으로 표현되어 이미지에 입체감을 더하고 있다. 신비로운 푸른빛이 알 수 없는 오싹함을 선사한다.
뇌 노화에 대한 상상 : 노화의 색
by 박준수
식물 노화·수명 연구단
뇌는 머릿속에 숨어있어 관찰하는데 제한이 있다. 뇌의 점진적인 노화 과정을 관찰하는 것이 불가능에 가깝다고 여겨진 이유다. 뇌를 우리가 볼 수 있는 곳에 살아있는 채로 옮길 수 있다면 새로운 현상들을 관찰할 수 있지 않을까? 이를 위해 모델 동물인 생쥐의 뇌 가장 안쪽에 위치한 시상하부를 홍채 위에 이식하고 관찰하는데 성공했다. 망막을 생물학적 유리창으로 사용해 뇌 조직을 살아있는 상태로 관찰할 수 있는 기술을 개발한 것이다. 빨간색 부분은 신생혈관 형성을 나타낸 것으로, 조직이식이 성공적이었음을 보여준다. 위 이미지는 결과물에 상상력을 가미해 색감과 구조를 조정했다. 노화된 뇌의 모양과 색깔은 무엇일까? 이미지는 곤충의 형상이나 대칭적인 만다라의 모습과 닮아있는 듯하다.
약한 자의 슬픔
by 이유리
식물 노화·수명 연구단
칼슘은 식물 성장에 매우 중요한 필수 영양소이다. 칼슘은 세포벽과 세포막 구성에 필수적일 뿐만 아니라 세포 내 신호전달 과정에 전달자로 역할을 수행한다. 칼슘이 부족하면 다양한 결핍 증상이 나타난다. 특히 새로운 생명을 만들어 내는 기관인 꽃이나 어린잎에서 그 피해가 더욱 도드라진다. 위의 사진은 칼슘이 부족한 환경에서 가장 먼저 나타나는 어린잎의 죽음을 보여준다. 하얗게 백화(白化)되어 죽어가는 어린잎의 모습이 마치 한 방울의 눈물 같다.
췌장 섬세포가 그린 서울 지도
by 조정훈
식물 노화·수명 연구단
췌장 섬세포(pancreatic islets)는 인슐린, 글루카곤과 같은 여러 호르몬들을 분비해 우리 몸의 혈당 항상성(glucose homeostasis)을 유지한다. DMSO(dimethyl sulfoxide, 각종 유기물) 물질을 처리한 후 특정 마커를 이용해 췌장 섬세포의 생존력을 확인하고자 했다. 살아있는 세포는 녹색 형광으로, 죽어있는 세포는 빨간색 형광으로 나타난다. 우연의 일치인지 이 사진은 마치 췌장 섬세포로 서울 지도를 그린 것처럼 보인다.
회전하는 먼지
by 올게르 시불스키
첨단연성물질 연구단
떨리면서 불규칙적으로 회전하는 원통은 그래눌라 역학을 연구하는 공간이다. 그래눌라란 모래알같이 과립상태 입자가 모인 시스템을 말한다. 마른 모래는 물에 적시면 단단히 뭉쳐졌다가도 너무 젖으면 무너진다. 이렇게 입자 군집의 역학은 입자 하나의 특성과 완전히 다르다. 모래알처럼 작은 입자들에 원통이 회전하면서 생긴 원심력이 작용한다. 무거운 유체는 회전하면서 작은 입자들을 중심과 위쪽으로 민다. 세 가지 색상의 입자들은 크기와 밀도가 다른데, 유체의 원심력과 전단력에 따라 다양한 패턴을 만든다. 이 패턴은 회전속도에 따라 달라진다. 신비롭게 표현된 다채로운 패턴에서 그래눌라의 복잡한 물리를 엿볼 수 있다.
콜로이드의 뇌
by 로유 동
첨단연성물질 연구단
음파에 갇힌 콜로이드 입자의 군집은 초음파와 교류 전기장(시간에 따라 크기와 방향이 주기적으로 변하는 전기장)이 동시에 가해질 때 급격히 팽창한다. 초음파와 쌍극자-쌍극자 상호작용을 유도하는 전기장 사이의 줄다리기의 결과다. 둘 사이의 힘겨루기로 인해 나타난 이미지에서 뇌의 피질이나 부은 손가락의 지문이 연상된다. 실제 대뇌 피질은 콜로이드 군집과 비슷한 형상, 구조적 특징을 갖고 있다. 뇌는 많은 신경세포를 한정된 공간 안에 배치하느라 팽창 시 자연스레 주름과 굴곡을 만든다. 콜로이드 입자 역시, 구조를 형성할 때 2차원 평면에 공간이 한정되면 3차원으로 뻗는 경향이 나타난다. 이러한 특징이 위의 이미지처럼 난해한 패턴을 만든다.
붉은 대나무
by 김성조
첨단연성물질 연구단
좁은 공간에 갇힌 액정은 가장 안정적인 구조를 가지려 고군분투한다. 에너지를 낮추려면 변형을 최소화하면서 동시에 경계 조건들을 만족해야 하기 때문이다. 이런 경계 조건은 종종 액정에 아름다운 결점들을 남긴다. 위 사진은 크로모닉 액정인 Sunset Yellow에 고분자를 소량 첨가한 후 유리 모세관에 넣고, 이를 편광현미경으로 관찰한 것이다. 디스플레이에 쓰이는 일반 액정과 달리 크로모닉 액정은 물을 기반으로 해 특이한 탄성 특성을 가진다. 이 특성 때문에 제한된 공간에서 액정 구조의 자발적 꼬임이 나타난다. 꼬임 방향이 다른 영역의 경계에서 위상적 결점이 형성된다. 점 결점과 벽 결점이 반복되어 나타난 사진이 마치 붉은색 대나무처럼 보인다.
플래티넘 폭포
by 야로스와브 소볼레브
첨단연성물질 연구단
백금(플래티넘)은 철과 비슷한 전기전도도를 갖고 있고 반응성이 매우 작다. 백금선(線)의 끝부분을 전극으로 활용해 물방울에 3kV의 고압 전류를 가한 후 확대한 사진이다. 이 사진은 순수한 물의 미시적 표면 구조가 강한 전압에서 어떻게 변하는지 관찰하는 실험 중 포착했다. 순수한 물에 백금선으로 전기를 흘려보냈더니 백금선 끝에 갈색으로 탄 유기물이 붙었다. 유기물은 공기 중에 유래한 것이다. 사진 위쪽에서 아래쪽을 향해 있는 것은 바늘의 무딘 끝이고 위쪽은 아직 손상되지 않았다. 매끈한 표면과 대비되는 거친 표면, 넘실거리는 은빛 물결 모양이 추상적인 감각을 느끼게 한다.
하데스의 일몰
by 카렐 구센스
다차원 탄소재료 연구단
‘잠 못 드는 영혼이 영겁의 세월 속에서 떠도는 깊은 지하 세계, 그곳에서도 하루가 저물어 가고 있다. 하늘은 점점 어두워지지만, 주변의 모든 것을 녹여 버릴 듯한 불길의 거센 열기는 멈출 기미가 보이지 않는다.’ 용융 액체 결정(liquid crystal, 액정)의 아름다운 문양을 편광현미경*으로 관찰하는 동안, 위의 문장이 머릿속에 떠올랐다. 본 이미지는 특유의 간섭 효과(둘 이상의 파동이 서로 만났을 때 중첩 원리로 인해 나타나는 효과)로 인한 복굴절** 시료 내 분자들의 나노 수준 조직에 관한 단서를 제공하고 있다. 또한 X선 회절을 이용하여 분자들이 삼각 실린더 형태의 육각기둥형 중간상(Hexagonal columar mesophase, 결정과 액체의 중간 온도 영역에서 나타나는 상)으로 존재하는 상세한 연구의 발단이 되었다.
* 편광현미경: 광물의 광학적 성질을 확인할 때 이용하는 현미경이다. 얇게 연마한 시료에 편광을 통과시켜 그 광학적 성질을 조사한다.
** 복굴절: 방향에 따라 굴절률이 다른 결정체에 입사한 빛이 방향에 다른 두 개의 굴절광으로 굴절되는 현상
사이키델릭한 액정
by 카렐 구센스
다차원 탄소재료 연구단
“경고: 지나친 현미경 사용은 두통을 유발할 수 있습니다.”
교차된 평광판을 통해 관찰되는 액정(liquid crystal)의 부채꼴형 결함(fan-like defect) 문양은 경고 메시지를 잊게 할 만큼 흥미로워 한참을 들여다봐도 지루하지 않다. 본 이미지는 시료와 두 번째 편광프리즘(분석기) 사이에 전파지연판(full-wave retardation plate)의 도입 효과를 예술적으로 해석한 것이다. 어떤 색이 어떤 방향으로 나타나는지 파악함으로써 주상(주물에 나타나는 결함)의 액체 결정 중간상(columnar liquid-crystalline mesophase)에서 분자들의 막대형 방향족 코어들(aromatic cores)의 배향에 관한 정보를 확인할 수 있다. 만약 부채꼴형 결함이 남서쪽에서 북동쪽으로 향하는 방향에서 노란색-주황색이지만 남동쪽에서 북서쪽 방향으로는 파란색-초록색이 나타난다면, 방향족 세그먼트들(aromatic segments)은 초분자 원기둥에 평행하게 정렬될 것이다. 만약 반대의 상황이라면, 방향족 부분은 원기둥의 높이 방향에 대해 수직인 방향으로 존재할 것이다.
빨간 별
by 이선경
유전체 항상성 연구단
인간을 포함한 포유류는 3가지 지방세포 조직을 갖고 있다. 지방을 태워 열을 만드는 갈색지방세포는 추운 환경에 노출되면 그 수가 증가한다. 갈색지방세포는 세포 내 에너지 공장인 미토콘드리아를 많이 가지고 있다. 미토콘드리아는 스트레스를 받거나 손상을 입으면 서로 뭉쳐 에너지를 더 이상 만들 수 없게 사멸한다. 세포의 유전체 불안정성을 유도할 수 있는 유전자 발현을 억제할 때, 미토콘드리아가 서로 뭉치며 손상된다는 실험을 진행하던 중 위 이미지를 포착했다. 갈색지방세포에서 미토콘드리아를 붉은 색으로, 세포핵은 DAPI*를 활용해 파란색으로 염색했다. 두 사진을 합쳤더니 붉은 별이 소멸하는 천체사진이 나타났다.
* DAPI는 DNA의 A(아데닌) : T(티민) 염기쌍에 특이적으로 결합하는 형광 색소이다. DAPI 염색법은 형광현미경에서 DNA검출 (엽록소, 바이러스, 염색체내 DNA 등)에 사용하고 있다. DAPI로 염색체를 염색하면 A : T 쌍이 많은 부분이 푸른 형광으로 보인다.
사랑의 묘약 (L'Elisir d'amore)
by 황정미
유전체 항상성 연구단
이 작품의 제목은 사랑의 묘약이다. 하트모양의 단백질은 전쟁터에서 극적으로 만난 생존과 사랑을 표현하고 있다. 단백질과 단백질의 결합을 분석하는 CUPID 기술을 이용해 포착한 이미지다. 빨간색 형광물질이 결합된 MSH2 단백질과 연두색 형광물질이 결합된 MSH3 단백질이 PMA 약물에 노출된 뒤 서로 같은 곳으로 이동하는 모습이다. PMA 약물은 PKC를 활성화한다. PKC 단백질은 PMA 약물에 의해 세포막으로 이동하는 특성을 이용한다. 이 특성을 이용해 PMA를 처리하면 PKC 단백질과 결합된 NSH2, MSH3 단백질도 세포막으로 이동한다. 이 작품은 이동현상을 관찰하던 중 순간적으로 하트 형상을 하고 있는 세포를 포착한 이미지다. 약물로 인해 나타난 사랑의 묘약이라 할 수 있다.
나노-잔디 위에 핀 세포 꽃
by 허채정, 정찬호, 김태일
뇌과학 이미징 연구단
잔디 위 꽃봉오리가 연상되는 위 이미지는 주사 전자 현미경(SEM)으로 촬영한 것이다. 앤디 워홀의 팝아트 작품 형식을 빌려 선명한 색깔의 4개의 복제 이미지를 만들고 2X2로 배열했다. 바탕은 선인장의 가시를 모방한 나노 사이즈의 구조물이다. 구부러져 있는 이 구조물은 잔털같아 헤어(hair)라고 부른다. 꽃으로 형상화된 것은 움직이는 신경세포의 세포다. 잔디처럼 깔려 있는 나노사이즈의 헤어들을 인식하기 위해 많은 가지 돌기들을 뻗어내고 있는 걸 포착했다. 색에 따라 동일한 이미지가 다리 달린 사탕같기도 하고 바다 속 가시성게처럼 보인다. 묘한 긴장감이 느껴지는 이미지다.
* 주사전자현미경: 전자현미경 안에서 전자빔을 관찰대상에 쏴 확대된 영상을 표시하거나 물질의 형태나 구성 원소, 정량, 구조의 단면 등을 관찰하고 분석하는 장비
생명의 뿌리, 혈관
by 김유형
혈관 연구단
혈관의 발달은 기관의 발달과 성숙에 필수 요소다. 뇌의 혈관은 가장 바깥 면에서 안쪽으로 자란다. 마치 식물이 토양에 뻗어 내리는 뿌리와 비슷하다. 동시에 뇌혈관은 다른 장기의 혈관보다 더 단단한 장벽을 형성한다. 뇌혈관의 발달과 뇌장벽의 형성은 뇌의 성숙을 촉진하면서 동시에 뇌를 보호하는 중요한 생명현상이다. 위 사진은 생후 12일째 정상 생쥐의 뇌 단면을 촬영한 것이다. 뇌혈관이 아름답게 형성된 뇌 표면에 나무를 그려 넣었다. 나무가 성장하려면 뿌리가 발달해야 하는 것처럼 생명체의 성장에 혈관의 발달이 필수임을 표현했다. 복잡하게 얽힌 혈관 위로 뻗어난 나무와 흑백의 이미지가 한 편의 수묵화를 연상케 한다.
눈 속에 흐르는 강
by 김재령
혈관 연구단
초록색 기둥을 보라색 넝쿨이 감싸 안고 있는 듯한 이 사진은 우리 눈의 쉴렘관과 혈관을 촬영한 것이다. 우리 눈은 눈 속에서 생성되는 방수로 안구형태와 안압을 유지한다. 각막 주변부에 위치한 쉴렘관(녹색)은 방수를 혈관(보라색)으로 배출하는 중요한 역할을 수행한다. 만약 방수가 자유롭게 배출되지 않으면 안압 상승으로 시신경이 손상돼 녹내장 및 그로 인한 시력 상실이 발생한다. 연구진들은 녹내장의 발생과 진행에 연관된 새로운 기전을 밝혀내 녹내장 치료의 잠재적인 대안을 제시했다. 눈 속에 흐르는 강은 눈물을 연상시키지만 연구 내용과 이어 생각해보면 희망적인 메시지를 사진에서 읽을 수 있다.
혈관의 라즈베리 농장
by 배호성
혈관 연구단
생명체의 지방조직은 혈관 밀도가 높다. 모든 지방세포(빨간색)는 위 이미지처럼 혈관(파란색)과 맞닿아 있다. 우리 몸속에 있는 갈색지방은 지방을 연소하는데 특히 혈관이 발달하고 밀접한 조직으로 알려져 있다. 갈색지방에는 에너지 공장인 미토콘드리아가 매우 많아 에너지 연소에 중요한 역할을 담당한다. 지방세포 조직의 이미지가 라즈베리 과육을 연상케 한다. 흥미롭게도 라즈베리도 지방세포를 태우는데 효과적이다. 라즈베리 열매가 줄기로부터 자양분을 얻듯 군집을 이룬 갈색지방을 혈관이 줄기처럼 지탱해주고 있다. 강렬한 붉은색과 푸른색의 대비가 화면을 역동적으로 구성한다.
도넛빔 공장
by 전천하
초강력 레이저과학 연구단
위 사진은 간섭계를 사용해서 얻은 거울표면을 촬영한 것이다. 레이저와 물질 간 상호 작용을 관찰하고자 특별한 거울을 직접 설계했다. 도넛빔을 만들 수 있는 45° 입사각의 이 거울은 표면층이 여섯 단차로 각각의 단차가 점점 높아지는 구조이다. 가장 낮은 곳과 가장 높은 곳의 높이 차이는 80나노미터(㎚)로 파장의 길이와 같다. 레이저가 반사될 때 각 층의 반사 거리가 특정값을 갖고 있어 레이저는 가운데가 뻥 뚫려있는 도넛 모양의 빛을 만든다. 도넛 모양의 강한 레이저 빔을 물질에 쏘면 정 중앙에 많은 전자들이 모여든다. 그 결과 정중앙으로 양성자들이 가속하는데, 이러한 양성자들은 암 치료에 쓰일 수 있다. 방사형으로 퍼져나가는 원형의 파동과 간섭무늬들이 만든 굴곡진 이미지에서 옵아트가 연상된다.
진짜일까?
by 강범창
유전체 교정 연구단
원하는 유전자가 제대로 식물세포에 도입되었는지 확인하려면 형광단백질의 도움을 받아야 한다. 원하는 유전자를 형광단백질과 함께 식물세포로 도입해 관찰하는 것이다. 모든 조치를 취한 뒤 공초점 레이저 현미경(Confocal microscopy)으로 식물조직 관찰에 나섰지만 여전히 방해요인이 남아있다. 식물세포로부터 나오는 천연으로 존재하는 빛나는 분자 조직, 자가형광(autofluorescence) 때문이다. 자가형광 단백질 때문에 무엇이 진짜인지 헷갈릴 정도다. 사진은 공초점 레이저 현미경을 이용해 식물조직 중 기공에 도입한 형광단백질이 발현하는 것(진한 형광색)을 촬영한 것이다. 형광 단백질을 입히지 않았다면 과연 구분할 수 있었을까? 단풍이 진 산을 항공으로 촬영한 이미지 위에 선명한 연두색 얼룩이 떨어진 듯 이질적이면서도 묘한 이미지다.
* 공초점 레이저 현미경: 레이저와 컴퓨터를 광학현미경에 접속시킨 것으로 세포, 조직, 세포소기관이나 분자에 초점을 맞춰 시료에서 발생한 형광, 반사광 및 투사광을 화소(pixel) 단위의 이미지로 만드는 방식의 현미경
폭풍우 치는 밤
by 박승부, 이순선, 추정은
기후물리 연구단
허리케인(태풍)이 가진 파괴력은 두려움의 대상이지만 컴퓨터 시뮬레이션으로 만든 태풍 이미지는 전례 없는 자연의 아름다움을 보여준다. 이 이미지는 인도양에서 발생한 태풍이 굽이쳐 부는 편서풍과 상호작용하며 만들어내는 변화상을 보여준다. 이 이미지에 사용된 수치 모델(the numerical model)은 전지구 대기, 해양, 대륙 및 빙하로 구성된 접합 시스템 역학을 약 25km의 해상도로 표현한다. 기후물리 연구단 연구원들이 미국 국립기상연구센터(National Center for Atmospheric Research, NCAR)의 슈퍼 컴퓨터에서 수행한 수치 실험 결과이다. 반 고흐의 명작 ‘별이 빛나는 밤’이 떠올라 폭풍우 치는 밤으로 제목을 지었다.
과거로부터 온 메시지
by 악셀 팀머만, 칼 스타인, 엘크 젤러
기후물리 연구단
나무 기둥 단면에 보이는 동그란 테두리들은 나무가 살아온 연수를 나타내고, 테두리들 사이 간격은 습하고 건조한 정도를 나타낸다. (레오나르도 다빈치, 「Trattato della Pittura」)
레오나르도 다빈치는 해마다 바뀌는 나이테의 두께가 연평균 강수량과 관련있음을 처음으로 밝혔다. 나무의 성장은 껍질 바로 안쪽의 몇몇 세포에서 일어난다. 열대 지역의 나무들을 제외한 대다수의 나무 세포들은 계절마다 성장률이 달라 밀도 변화가 나이테로 발현된다. 기후물리 연구단의 연구원들은 나이테 정보를 이용해 과거 기후와 생태계 변화에 대한 단서를 얻는다. 이 이미지는 악셀 팀머만 단장이 하와이 고산지대에서 채취한 나무 기둥들의 단면이다. 연구원들은 나이테의 시각적 이미지 외에도 나이테 안의 안정 탄소 동위원소(stable carbon isotopes)를 분석하여 계절 내 기후 변화와 광합성 변화에 대한 통찰력을 얻을 수 있다.
2016 IBS Art in Science
진화의 아름다움 : 드로셔 단백질의 구조
by 권성철
RNA 연구단
마이크로RNA는 발생, 노화, 암, 분화, 면역 등 생명현상 거의 모든 분야에 관여한다. 마이크로RNA는 드로셔와 다이서 단백질의 연속적인 두 단계 절단과정으로 생성된다. 본 작품은 처음 발견된 지 12년 만에 그 구조가 풀린 드로셔 단백질의 밑 부분 모양이다. 드로셔는 다이서와 같은 골격(빨간색, 초록색)을 갖고 있으면서 드로셔만의 고유한 구조(노란색, 하얀색)를 지니고 있다. 이를 통해 드로셔가 다이서로부터 분지되어 나와 새로운 기능을 갖춘 과정을 엿볼 수 있다.
뇌 속 은하수
by 박하람
시냅스 뇌질환 연구단
포유류 뇌의 양쪽 측면에 위치한 해마는 말 그대로 '해마' 모양의 구조다. 해마는 감정과 욕망, 기억에 관여하는 변연계의 일부로 정보 공고화, 공간 기억, 단기·장기 기억에 영향을 끼치는 것으로 알려져 있다. 해마 부위에 존재하는 성상교세포(Astrocyte)의 GFAP(Glial fibrillary acidic protein)는 신경교세포의 표식으로 사용되며, 성상교세포의 모양과 물리적인 세기에 기여한다. 본 사진은 생쥐의 해마에 존재하는 성상교세포의 GFAP(흰색)를 염색한 것이다. 세포들이 밤하늘의 은하수처럼 빛나고 있다.
연못
by 노준엽
시냅스 뇌질환 연구단
클로드모네는 노년에 '지베르니' 연못의 수련을 다채로운 색과 빛으로 그렸고, 수련 연작은 위대한 명작들로 남았다. 생쥐의 내측전전두엽(medial prefrontal cortex) 2/3번 층에 존재하는 다양한 단백질들이 그려낸 위 이미지는 그의 명작을 연상시킨다. 우리는 칼슘과 결합하여 칼슘 신호전달에 관여하는 파브알부민은 빨간색, 시냅스에 많이 발현하는 단백질 PTP delta는 초록색, DNA에 색을 입히는 DAPI는 파란색으로 표시했다. 생쥐의 내측전전두엽은 일반적으로 사회적 행동, 의사 결정에 관여한다. 특히 사람의 경우 인간성 표출에 관여하는 것으로 알려져 있다.
신비한 물질을 찾는 방
by 하창현
지하실험 연구단
사진은 연구단이 새로 건설한 강원도 양양 지하 700m에 있는 암흑물질 검출장치의 내부를 찍은 것이다. 지하실험 연구단은 우주의 비밀을 품고 있는 '암흑물질'을 탐색중이다. 암흑물질의 신호를 포착하는 것은 매우 어려운데, 사진 중앙에 설치된 원통형 NaI(Tl) 크리스탈(Crystals)들을 이용하면 암흑물질과 반응 시 나오는 미세한 빛을 감지할 수 있다. 이 신호를 외부에서 생성되는 노이즈 신호와 구분하고자 크리스탈 외부 모든 면에 거울 역할을 하는 반사필름을 부착했다. 거울에 둘러싸여 빛을 방출하는 검출장치의 내부 사진이 마치 미지의 물질을 추적하는 자의 방처럼 보인다.
다양성의 세계
by 김영임, 최지훈
액시온 및 극한상호작용 연구단
본 작품은 공진기에서 생성되는 다양한 공진 모드를 시각적으로 보여준다. 공진기는 고유의 진동수를 찾으면 증폭되는 공진현상을 이용해 특정 주파수와 진동을 기록하는 장치다. 공진기의 공진현상을 이용하면 다양한 물질의 물성들을 관찰할 수 있다. 공진은 일상에서도 흔히 찾아볼 수 있는 현상이다. 하나의 공진기 안에 다수의 공진 모드가 존재하는 모습이 마치 다채로운 얼굴과 감정을 지니고 살고 있는 사람들의 세계를 표현한 것만 같다.
물에 빠진 폐
by 이승준, 고규영
혈관 연구단
패혈증으로 인한 염증은 모세혈관 벽을 파괴해 혈액 및 염증세포의 누출을 유발한다. 이런 염증은 폐부종과 같은 중증 합병증으로 이어진다. 위 이미지는 패혈증을 유발한 실험동물에서 발생한 폐부종을 소동물용 컴퓨터단층촬영(Micro-CT)기법을 이용해 촬영한 뒤, 폐부종 부위에 색을 입혔다. 연구진은 혈관 내피세포에 특이적으로 존재하는 Tie2 수용체를 활성화해 혈관 장벽을 강화하는 신약 항체를 개발했다. 이를 통해 패혈증 시 발생하는 혈액 누출로 인한 장기 기능 손실과 사망을 줄일 수 있음을 보고했다.
만화경으로 본 물질의 세계
by 김범서
강상관계물질 연구단
몰리브덴(Mo)과 텔레륨(Te)의 합성으로 만들어진 2차원 층상구조 다이텔레늄 몰리브데늄(MoTe2)는 응용 가능성이 커 최근 관심을 받는 물질 중 하나다. 이 물질은 결정 구조 상에서 6겹의 대칭성을 가져 전자구조에서도 6겹의 대칭성이 나타난다. 위 사진들은 각분해 광전자 분광 장비로 측정한 MoTe2 단결정의 전자구조다. 각분해 광전자 분광 장비는 단색광을 단결정 표면에 입사시켜 튀어 나오는 전자들을 운동량과 에너지로 분해해 측정한다. 10가지 이미지는 각기 다른 특정한 결합에너지를 가진 운동량 평면의 전자구조다. 6겹의 대칭성이 공통적인 특징이다. 신비로운 물질의 세계를 만화경으로 엿본 듯 화려한 문양을 보여준다.
전자들의 비명
by 쇼레쉬 솔타니
강상관계물질 연구단
이 이미지는 티탄산 스트론튬 표면 위 기묘한 양자의 세계에 있는 전자 포켓 (Electronpocket)의 초상을 표현한 것이다. 에드워드 뭉크의 '절규'를 연상케 하는 유령 형상은 극저온, 초고진공 상태에서 나타난다. 평평하고 윤기 나는 깨끗한 단결정 표면에 방사광(전자를 빛의 속도로 가속시킬 때 방출되는 빛)을 비추면 전자들이 비명을 지른다. 전자포켓이 절연 티탄산 스트론튬 결정 표면의 전기 전도도를 결정하는데 이는 산화물 전자공학분야의 토대가 된다. 각 이미지에 나타나는 색깔의 차이는 전자의 밀도가 다르기 때문이다.
식물의 코
by 윤택한
식물 노화・수명 연구단
지구라는 거대한 생태계를 떠받치고 있는 식물의 호흡은 곧 지구의 숨결이라 할 수 있다. 식물의 호흡을 담당하는 기관인 기공(stomata)은 광합성을 하는 모든 생물의 근원이다. 사진은 전계방출형 주사전자현미경(Field Emission Scanning Electron Microscopy, FE SEM)*을 이용해 식물체의 기공조직(Stomatal apparatus)을 촬영한 것이다. 세상 모든 생물의 어머니인 식물의 마음을 대변하듯 기공조직이 하트 모양인 것이 인상적이다.
2015 IBS Art in Science
구리 눈 위에 쌓인 그래핀 낙엽
by 권영우, 로드니 루오프
다차원 탄소재료 연구단
그래핀(graphene)은 탄소 원자가 육각형의 벌집 모양을 이루는 2차원 평면 구조다. 매우 얇아 투명하면서도 전기와 열 전도도가 우수해 차세대 신소재로 각광받고 있다. 위 이미지는 그래핀 합성에 널리 쓰이는 화학기상증착법(Chemical vapor deposition; CVD)을 사용하여 구리 박(薄)위에 그래핀을 합성한 것이다. 육각형의 격자로 형성되는 그래핀의 결정학적 특성상 그래핀은 육각형 혹은 육각별과 같은 특정 모양으로 성장한다. 이미지에 주로 보이는 낙엽은 그래핀이고 배경은 구리 박이다. 주사 전자현미경(Scanning electron microscope; SEM)*을 이용해 촬영한 위 이미지가 마치 눈 위에 떨어진 낙엽처럼 보인다.
뇌 속의 유성우(流星雨)
by 이상규, 정현진
인지 및 사회성 연구단
뇌의 가장 바깥쪽의 대뇌피질은 신경세포들이 모여 고차원적 기능을 수행하는 부위다. 수정 후 15일 쯤 동물모델인 생쥐의 배아에 전극봉을 사용하는 전기충격법으로 초록, 빨강, 원적외선 등 세 가지 색상의 형광 단백질을 주입했다. 세 가지 색상의 형광 단백질로 염색한 신경세포들이 뇌 속 유성우라는 이름의 작품으로 탄생했다. 연구진이 촬영한 대뇌 피질의 신경세포들의 모습이 마치 밤하늘에 별똥별이 쏟아지는 것 마냥 장관을 이룬다.
눈 속에 펼쳐진 무지갯빛 혈관
by 박도영
혈관 연구단
혈관 연구에서 가장 중요한 것은 혈관을 구성하는 세포들을 잘 관찰할 수 있도록 면역 형광 염색을 통해 시각화하는 것이다. 위 사진은 태어난 지 5일 된 생쥐 눈의 망막 혈관이다. 망막 혈관은 '혈관 내피세포'와 이를 지지하는 '혈관 주위세포'로 구성된다. 망막 혈관을 관찰하고자 형질 전환 생쥐를 이용해 생후 특정 시기에 혈관 주위세포에서만 붉은색 형광을 띄도록 만들었다. 초록색 형광을 내는 망막 혈관 내피세포와 붉은색 형광을 내는 인접한 혈관 주위세포가 어우러져 마치 무지갯빛처럼 보인다.
자연의 퍼즐
by 홍성현, 서소욱, 정수현
식물 노화‧수명 연구단
붉은색과 녹색이 만들어낸 화려한 색감의 이 작품은 2주 정도 키운 형질변환 애기장대의 떡잎 표피를 현미경으로 촬영한 사진이다. 식물 세포와 핵의 변화를 관찰하고자 애기장대 떡잎의 표피세포를 형광으로 염색했다. 표피의 핵은 밝은 녹색으로 세포막은 구불구불 녹색선으로 표현되었다. 기공(가스 교환을 위해 열고 닫히는 식물의 숨문)을 조절하는 공변세포도 연두색의 작은 점들로 나타났다. 자발적인 형광을 일으키는 안토시아닌같은 다양한 형광성분을 포함하거나 햇빛을 흡수해서 영양분을 만들어내는 엽록체는 붉은 색으로 염색되었다. 형형색색으로 나타난 세포와 세포막, 엽록체와 기공, 공변세포들의 모습이 마치 살아 있는 자연의 퍼즐처럼 보인다.