NMR은 비교적 최근 개발된 기기로 물질의 분포와 특성을 연구하는데 요긴하게 사용된다.
물리학에서는 NMR 자체로 사용되지만, 사용환경을 유지하기가 어렵고, 대형화, 실용화하기 힘들므로 수소원자에 특화하여 MRI(fMRI 포함)를 만들어 의료용 기기로 사용한다.
NMR은 물질에서 나오는 방사선(Resonance)의 강도를 측정하는 것을 중요시하는 반면, MRI는 방사선을 방출하는 특정 원자핵의 위치를 측정하여 그림(Image)으로 보여주는 것을 중요시한다는 것이 다르다. NMR은 실험 대상 물체에 가해진 자기장이나 전기장의 세기와 위치도 알아낼 수 있으므로 물질의 자기적 특징을 알아내는데도 사용된다. 대표적인 예가 초전도체의 자기특성인데, 초전도체에 형성되는 자기 볼텍스(Vortex)의 변화도 파악할 수 있다.
NMR 원리를 간단히 살펴보자. 너무 간단하고 쉽게 설명하려 했기 때문에 엄밀한 의미에선 불분명하게 설명한 부분이 있다.
NMR의 원리
① 우선 물질은 원자로 구성되어 있고, 원자는 원자핵과 전자로 구성되어 있다. 원자핵과 전자는 자기모먼트라는 물리적 특성을 갖고 있는데, 자기모먼트가 존재함으로서 원자핵이나 전자가 자기장에 영향을 받게 된다.
물질에 강한 자기장을 가해주면 각 자기장의 방향과 일치하게 원자핵의 자기모먼트가 정렬하게 되는데, 자기장을 가해주지 않았을 때는 임의의 방향을 띄던 자기모먼트가 자기장이 강하면 강할수록 더 많은 수의 원자핵이 자기장의 방향에 맞게 정렬하게 된다. 이 때 보통 1T 이상의 자기장을 가해주게 되며, 이 자기장은 태양 표면의 100배에 해당하는 자기장이다.
② 이 물체를 임의의 다른 코일(Coil)로 감싸고, 코일에 삼각파 혹은 사각파의 전류(펄스, Pulse)를 흘려보내준다. 이 전류가 순간적으로 코일에 흐르면 한 방향으로 정렬되어 있던 원자핵들 중에 일부가 흐트러지게 된다.
③ 일반적으로 코일에 전류를 2회 가하게 되는데, 첫번째 가한 전류는 원자핵의 자기모먼트를 흐트러트리고, 두번째 가한 전류는 이 자기모먼트를 뒤집게 된다.1
④ 흐트러진 원자핵은 방향이 90˚~180˚ 뒤집히는데, 이 원자핵은 전자기파(전파 혹은 가시광선, 빛)를 방출하면서 서서히 강한 자기장에 다시 정렬하게 된다. 방출되는 전자기파는 처음 전류를 흘려보냈었던 코일에 전류를 유도하게 되고, 이 전류를 측정하므로서 원자핵의 상태를 파악할 수 있게 된다.
원자핵 자기모멘트가 외부 자기장에 정렬되는 것은 확률에 의존하므로 한꺼번에 동시에 정렬되는 것이 아니고, 시간이 지나면서 점차 정렬되는 원자핵의 수가 증가하다가 일정시간 이후 감소한다. 코일에 전류를 흘려준 이후 전류가 최고점에 이르는 순간까지의 시간(오른쪽 그림에서의 t0)을 측정하면 원자핵의 존재나 상태를 파악할 수 있게 되고, 상세하게 물질의 상태를 파악할 수 있게 된다. 원자핵에 따라서 자기모먼트나 t0가 다르므로 가능한 일이다.
NMR이나 MRI 기기는 강한 자기장을 사용하므로, 초전도체를 이용한 전자석을 사용하게 되고, 초전도체를 유지하기 위해서는 액체헬륨과 액체질소를 사용하기 때문에 기기값과 유지비가 많이 드는 편이다. 그래서 사용료가 비싼 편이고, 기기들이 대중화 하는데 걸림돌로 작용하고 있다. 최근 많은 발전을 하고 있는 분야이고, 미국의 로터버(P. C. Lauterbur)와 영국인 맨스필드(P. Mansfield) 등이 개발한 공로로 노벨상을 받았지만 아직 갈 길이 먼 것 같다.
최근에는 빠른 시간동안 연속적으로 상태를 파악할 수 있는 fMRI 장치까지 개발됐다.
ps.
자기쌍극자가 처음 발견됐던 약 60여년 전에는 상상할 수 없었던 사용처가 NMR로 발견된 것처럼 과학은 전혀 상상치 못한 분야로 연결되어 그 꽃을 피우는 경우가 많다. 우리나라처럼 당장 필요할 것으로 생각되는 분야만 집중투자를 한다면 그 피해가 우리에게 다가올 수 있다는 것을 주의해야 한다. 과학계에서는 그것이 길이었던 것처럼 보였는데, 막상 도착해 보면 길이 아닌 가시덩쿨 속인 경우가 종종 있기 때문이다.
우리나라 후학들이 더욱더 멋진 장치들을 개발하길 바란다.
ps.
PET란 장치가 새로 개발됐다고 하는데, MRI보다 훨씬 더 정확할 수 있는 장비라고 한다. 그런데 그 장비의 해상도가 아직 실용화 하기엔 무리가 있다고 하는데..... 현재 발전추세라면 몇년 안에 실용화가 가능하지 않을까?
- 첫 번째 펄스는 원자핵의 자기쌍극자를 흐트러트리게 만든다. 흐트러진 원자핵은 반시계방향으로 돌면서 서서히 강한 자기장과 자기쌍극자를 일치시키려고 움직인다. 이 때 되돌아가는데 걸리는 시간은 원자핵마다 고유값을 갖고 있다. 따라서 두 번째 전류를 언제 주느냐에 따라서 어떤 원자핵 종류의 자기쌍극자는 영향을 적게 받기도 하고 다른 원자핵 종류는 더 받기도 한다. 따라서 검출된 신호를 내보낸 원자핵 종류는 두 펄스를 가한 시간 차이를 보면 된다. 병원의 MRI는 이 시간이 수소핵(양성자)에 정밀하게 맞춰진 것이고, 물리학 연구에 쓰이는 NMR은 특별히 결정된 시간 없이 그때그때마다 바꾸는 회로를 사용한다.(실험할 때마다 회로를 바꿔야 한다.) [본문으로]
