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응집물질물리학에 응용되는 고자기장 NMR

전문가 제언: ○ 고자기장 NMR은 유기물분석에 많이 이용된다. 1H와 13C 핵의 NMR 측정으로 단백질과 같은 거대 생체고분자의 입체구조를 규명하여 신약개발에 응용한다. 시료는 주로 용액이다.

○ 분석화학에 사용되는 NMR 분광기의 자석은 높은 안정도와 균일도가 필요하다. 자기장이 높을수록 분해능이 좋아지므로 안정도가 높은 영구전류모드의 초전도자석이 사용된다. 21.6T(1H의 공명주파수 920㎒)가 상용화 되었으며 23.5T(1㎓)가 개발 중이다.

○ 응집물질물리학에서 물성연구에 사용하는 NMR은 측정대상이 촉매, 유리, 세라믹 등, 고체상의 무기재료이다. 스핀 I>1/2인 사중극자 핵인 11B, 17O, 27Al, 47Ti 등의 고분해능 NMR은 재료의 구조해석을 위해 필요하다.

○ 낮은 자기장에서 사중극자 핵의 NMR은 사중극 상호작용으로 인한 2차 건드림(perturbation)효과로 신호의 폭이 넓어지는 어려움이 있다. 고체 NMR에서도 자기장의 세기가 강할수록 분해능이 좋아진다. 분석화학용 NMR보다 자기장의 안정도과 균일도 조건이 까다롭지 않은 장점이 있다.

○ 여기서는 초전도자석과 전자석을 결합한 하이브리드 자석으로 30T의 정상 자기장을 얻어 자기장 유도 상전이를 확인하였다. 정상상태(steady state)의 고자기장이 있어야만 가능한 실험이다.

○ 20T 정도의 자기장은 초전도자석을 사용하면 실험실에서 쉽게 얻을 수 있다. 30T 수준은 현재의 초전도기술로는 가능하지 않다. 고온초전도체가 실용화 된 후에 가능할 것이다. 30T 수준의 하이브리드 자석은 미국, 일본, 유럽 등의 국립고자기장연구소에서만 가능하다.

○ 고체고자기장 NMR이 새로운 기능성 소재개발에 응용되고, 일본에서는 제철공정에서 나오는 슬래그(slag)의 재활용연구에 이용된다. 우리도 국가차원의 고자기장연구소를 하나 가졌으면 하는 희망이다.

저자: Kenjiro Hashi, Tadashi Shimizu, Atsushi Goto
자료유형: 학술정보