박정원 연구실은 액상 투과전자현미경(liquid-cell TEM), 그래핀 액상 셀, 전기화학 액상 셀, 극저온 전자현미경(cryo-EM) 등 첨단 이미징 플랫폼을 활용하여 용액과 반응 환경에서 일어나는 나노물질의 구조 변화를 실시간으로 관찰하는 연구를 수행한다. 기존의 ex situ 분석이 반응 전후의 상태만 비교하는 데 그쳤다면, 이 연구실은 실제 작동 조건에서 개별 입자와 계면이 어떻게 변형되고 재구성되는지를 직접 추적함으로써 나노반응의 본질적인 동역학을 규명하고자 한다. 특히 밀리초 수준의 시간 해상도와 원자 수준의 공간 해상도를 결합해, 성장·용해·상전이·결정화·결함 생성과 같은 복합 현상을 정량적으로 해석하는 데 강점을 보인다. 이 연구의 핵심은 단순한 관찰을 넘어, 실험 플랫폼 자체를 개발하고 분석 알고리즘을 고도화하는 데 있다. 연구실은 샘플 고정 장치, 액상 시료 관찰법, 전자현미경 이미지 분석 방법 등 관련 특허를 확보하고 있으며, 액상 환경에서 안정적인 관찰을 가능하게 하는 셀 구조와 그래핀 기반 캡슐화 기술을 지속적으로 발전시키고 있다. 또한 self-supervised 딥러닝 기반 노이즈 제거, 브라우니안 단일입자 재구성, 4차원 원자구조 분석 등 계산 방법론을 접목하여 beam-sensitive 소재나 빠르게 변하는 계에서도 신뢰도 높은 구조 정보를 얻는다. 이러한 연구는 나노입자 화학, 전기화학 반응, 촉매 재구성, 생체분자 관찰 등 다양한 분야에 직접 연결된다. 실제로 연구실은 결정 핵생성의 비고전적 메커니즘, 액상 내 금속 수소화물의 준안정상 형성, 리튬 도금과 박리 초기 거동, 촉매 열화 과정 등을 실시간 TEM으로 규명해 왔다. 앞으로도 작동 환경에서의 구조-성능 상관관계를 정교하게 해석함으로써, 현미경 기술을 단순 분석 도구가 아니라 소재 설계와 반응 제어를 위한 핵심 연구 플랫폼으로 확장해 나갈 것으로 기대된다.

연구실의 또 다른 중심 축은 콜로이드 나노결정과 금속·반도체 나노입자의 형성 메커니즘을 이해하고 제어하는 것이다. 나노입자는 크기, 형태, 조성, 표면 구조에 따라 광학적·전자적·촉매적 성질이 크게 달라지므로, 합성 과정에서 어떤 중간체가 형성되고 어떤 경로로 최종 구조가 결정되는지를 밝히는 것은 매우 중요하다. 박정원 연구실은 액상 TEM과 정밀 이미지 분석을 이용해 개별 나노입자의 성장, 응집, 용해, 상전이, 결함 진화까지 추적하며, 평균값 중심의 전통적 분석으로는 파악하기 어려운 입자 간 이질성과 비평형 현상을 해석한다. 특히 브라우니안 운동을 활용한 단일입자 3차원 재구성 및 시분해 4차원 구조 분석은 이 연구실의 대표적인 방법론이다. 용액 속에서 자유롭게 회전하는 나노입자를 다양한 방향에서 획득한 영상으로부터 재구성함으로써, 입자의 실제 원자 배열과 형태를 보다 정밀하게 복원할 수 있다. 이러한 접근은 나노결정 핵생성의 가역적 무질서-질서 전이, 나노결정 성장 초기 단계의 다상 경로, 에칭 및 응집 과정의 구조 변화를 직접 보여주며, 기존 고전 핵생성 이론을 보완하거나 수정할 수 있는 실험적 근거를 제공한다. 이 연구는 기초과학 측면에서는 비평형 결정화와 원자 클러스터의 안정성에 대한 이해를 넓히고, 응용 측면에서는 양자점, 페로브스카이트 나노결정, 금속 클러스터, 합금 나노입자 등의 합성 최적화로 이어진다. 균일한 발광 특성을 갖는 광소재, 정밀 촉매, 차세대 전자·광전자 소재 개발에서 구조 제어는 핵심 요소이며, 연구실의 3차원·4차원 분석 역량은 이러한 소재 설계에 직접적인 가이드라인을 제공한다. 결과적으로 본 연구는 나노입자의 ‘어떻게 만들어지는가’와 ‘왜 그 성질을 가지는가’를 연결하는 정밀 나노과학의 기반을 구축하고 있다.

박정원 연구실은 첨단 현미경과 나노소재 설계 역량을 바탕으로 수소 생산·저장, 이산화탄소 전환, 연료전지, 수전해, 리튬금속전지와 리튬이온전지 등 에너지 분야로 연구를 확장하고 있다. 주요 프로젝트에는 LOHC 탈수소화, 암모니아 광분해 기반 수소 생산, PEM 수전해 소재 개발, 연료전지 촉매 열화 분석, CO2 전기환원 반응의 실시간 관찰, 폐전지 재활용 양극 소재 개발 등이 포함된다. 이는 단순히 새로운 소재를 합성하는 수준을 넘어, 실제 반응 중 촉매와 전극이 어떻게 변형되는지를 원자 수준에서 이해하여 고효율·고내구성 시스템을 구현하려는 연구 방향을 보여준다. 연구실은 특히 반응 환경에서의 촉매 재구성과 계면 진화를 중점적으로 다룬다. 예를 들어 LOHC 수소 추출 반응을 위한 원자수 제어 백금 클러스터 촉매, 저온 암모니아 분해용 루테늄 기반 촉매, CO2 전기환원 촉매, PEMFC 이오노머-촉매 계면 등에서 활성점의 형성, 응집, 열화, 조성 변화가 성능에 미치는 영향을 실시간 TEM과 전기화학 분석으로 규명한다. 전지 분야에서도 리튬 도금·박리, SEI 구조, 니켈 리치 양극 열화, 실리콘 복합 음극의 lithiation dynamics 등을 직접 관찰하여, 수명 저하와 안전성 문제의 근본 원인을 해석한다. 이러한 연구는 지속가능한 에너지 시스템 구축에 직접적인 기여를 한다. 수소 캐리어와 촉매 기술은 탄소중립 연료 전환과 연결되고, CO2 포집·전환 연구는 자원순환형 탄소경제 실현에 중요하다. 또한 고안전·장수명 전지와 재활용 기반 양극 소재 개발은 에너지 저장 산업의 경제성과 지속가능성을 동시에 높일 수 있다. 박정원 연구실은 실시간 구조 분석, 나노촉매 설계, 계면 해석을 통합함으로써, 에너지 소재를 ‘작동 중에 이해하고 설계하는’ 차세대 연구 패러다임을 제시하고 있다.