X-레이가 물새 깃털 구조를 전례 없는 정밀도로 밝혀내다

Source: Ars Technica

스펀지 같은 나노구조

깃털 출처 식별

노스웨스턴 팀은 화학 및 나노구조 배경을 가진 박사후 연구원 매들린 마이어를 통해 천수(天粹) 물품에 사용된 물총새 깃털을 조사하기 시작했으며, 문화유산 연구와 그 전문성을 결합하는 데 관심을 가졌다. 첫 번째 단계는 청나라 스크린과 패널에 사용된 깃털을 제공한 조류 종을 식별하고, 사용된 기타 재료를 파악하는 것이었다. 연구원들은 조심스럽게 가장 위층을 긁어내고 주사 전자 현미경으로 깃털을 촬영해 기본 나노구조를 자세히 관찰했다. 하이퍼스펙트럼 이미징을 통해 스크린의 다양한 영역이 빛을 흡수하고 반사하는 방식을 밝혀냈다.

팀은 또한 시카고 필드 박물관과의 파트너십을 활용해 스크린 깃털을 박물관의 방대한 박제 조류 컬렉션과 비교했다. 스크린과 패널에는 일반 물총새와 검은 머리 물총새의 깃털이 포함되어 있었으며, 초록색을 더하기 위해 청둥오리(몰라드)도 사용되었다. 마지막으로 X‑선 형광 및 푸리에 변환 적외선 분광법을 이용해 금박, 안료, 접착제 및 기타 재료에 사용된 다양한 화학 물질의 지도를 만들었다.

영상 기술

가장 최근에, 연구실은 아르곤 국립 연구소와 협력해 싱크로트론 방사선을 이용해 물총새 깃털의 나노구조를 더욱 정밀하게 관찰했다. 싱크로트론 방사선은 입자 가속기 내에서 생성되는 매우 고강도 X‑레이의 얇은 빔으로, 기존 X‑레이와는 다르다. 전자는 선형 가속기에 투입된 뒤 작은 싱크로트론에서 속도를 높이고 저장 고리로 주입되어 거의 빛의 속도에 가까운 속도로 이동한다. 일련의 자석이 전자를 굽히고 집중시키는 과정에서 X‑레이가 방출되며, 이 빔은 이후 빔 라인으로 집중된다.

이러한 특성은 비침습적 이미징에 이상적이다. 일반적으로 사용되는 파장이 짧고(빛의 에너지가 높을수록) 세부 사항을 더 정밀하게 이미지화하거나 분석할 수 있기 때문이다. 이는 물총새 깃털이 삽입된 청나라 왕관과 같은 섬세한 고고학 유물을 손상 없이 촬영하는 데 널리 사용되는 기술이 되었다.

나노구조에 대한 발견

이번 연구에서 영상 결과는 깃털의 미세한 능선이 반투명하고 다공성인 스폰지 같은 반정돈 구조를 가지고 있어 빛을 반사하고 산란시켜 깃털에 눈부신 색채를 부여한다는 것을 보여주었다.

“중국 시와 예술에서 오랫동안 찬미받아 온 물총새 깃털은 놀라운 광학적 특성을 가지고 있습니다,” 라고 공동 저자 마리아 코코리가 말했다. “우리의 발견은 역사적 재료에 대한 이해를 높일 뿐만 아니라 예술과 과학 혁신, 그리고 지속 가능한 재료의 미래에 대한 사고 방식을 재구성합니다.”