대칭이 깨진 금속 나노구조는 투명망토나 군사적으로 중요한 스텔스 기능에 꼭 필요한 메타물질의 소재가 되고 , 우수한 광학특성을 이용한 질병의 조기진단과 빛을 이용한 암세포 치료 등 의학 분야에서도 활용될 수 있는 중요한 물질입니다.
3차원의 대칭이 깨진 금속 나노입자는 입자 주변의 근접한 장을 강화하거나 빛의 산란효과와 같은 광학적 성질을 지녀 대칭적 나노입자가 가질 수 없는 유용한 광학적 성질을 지니는 것으로 알려져 있습니다.
특히 이 특별한 광학적 성질은 바이오의학 분야뿐만 아니라 메타물질의 소재로 활용될 수 있어 응용가치가 무궁무진합니다.
용액 내에서 금속 나노입자를 합성할 때 필연적으로 대칭점이 생기는 것을 보여주는 모식도. 왼쪽 작은 핵이 합성과정에 생성이 되고 그 후에 어떤 모양으로 분화하든지 초기의 작은 핵이 전체구조의 대칭점으로 작용하게 된다.
그런데 지금까지 대칭이 깨진 금속 나노구조를 합성하기 위한 방법은 평평한 기판 위에서 복잡한 식각공정을 거치는 등 매우 제한적이었습니다.
또한 만들어진 입자 혹은 나노구조의 수가 매우 적어 실용화할 수 없기 때문에 기본적인 광학특성 등을 연구하는 데에만 주로 사용되었습니다.
따라서 2차원 식각공정과 같이 평면 위에서 입자를 만들면 얻을 수 있는 입자의 수가 적기 때문에 입자를 대량생산하기 위해서는 반드시 3차원 용액 속에서 합성해야 합니다.
그러나 용액에서 합성해도 합성할 때 생겨나는 작은 핵이 최종 나노입자의 대칭점으로 작용해 대칭점이 없는 비대칭 금속 나노구조를 자연적으로 만들 수 없는 문제점이 발생하게 됩니다.
■ 서강대 강태욱 교수팀이 유럽 전통요리인 '퐁듀(fondue)'를 먹는 방법에서 착안해 용액 속에서 대칭이 깨진 비대칭 금속 나노입자를 대량 합성하는데 성공했습니다.
이번 연구는 질병의 진단이나 치료 등 의학 분야나 몸을 가릴 수 있는 투명망토, 상대방의 레이더와 적외선 탐지기에 맞서는 군사적 스텔스 기술 등에 활용될 수 있어 응용성이 매우 큽니다.
강 교수팀은 먼저 용액 속에서 혼성 나노입자를 합성한 후, 금만 선택적으로 과성장시켜 대칭이 깨진 금속 나노입자를 대량 합성하는데 성공했습니다.
수용액 상에서 비대칭 금 나노입자 합성의 모식도. 금 나노입자에 폴리스타이렌나노입자를 붙인 후에 금을 다시 성장시키는 방법임.
강 교수팀은 퐁듀가 한쪽 면에 치즈 등을 묻혀서 먹는 방식인 점에 착안하여, 먼저 용액 속에서 금과 폴리스타이렌 나노입자를 각각 하나씩 한 쌍으로 붙여 혼성 나노입자를 합성한 후, 금만 과성장시킨 용액을 찍어서 금속 나노입자의 대칭을 깨뜨렸습니다.
특히 강 교수팀이 개발한 합성법은 금 이온의 양과 환원제의 종류 및 나노입자의 크기 등을 조절하여 간단하게 다양한 형태의 비대칭 금속 나노입자를 자유자재로 합성할 수 있습니다.
또 다른 조합의 금속 나노입자, 예를들어 금과 실리카, 은과 산화철, 금과 산화철 등에도 적용하여 각종 다기능 금속 나노입자를 만들 수 있고, 용액 속에서 합성하기 때문에 대량생산할 수도 있습니다.
이번 연구성과는 지금까지 과학자들이 풀지 못했던 비대칭 금속 나노입자 대량 합성에 성공한 것으로, 향후 몸을 가릴 수 있는 투명망토나 군사적으로 중요한 스텔스 기능을 갖는 물질에 응용하거나, 질병 진단과 치료에도 적극 활용될 전망입니다.
금(까만색)-폴리스타일렌 혼성 나노입자에 금 용액을 이용하여 금 입자를 성장시키면 조건에 따라 다양한 종류의 비대칭 금 나노입자를 만들 수 있다. 가운데 그림은 ‘퐁듀’처럼 혼성입자를 한쪽면만 금을 묻혀 비대칭입자를 만든다는 모식도임. 
이번 연구결과는 나노과학 및 기술 분야의 권위 있는 학술지인 'Nano Letters'지(IF=12.219)에 온라인(4월 16일)에 게재되었습니다.
(논문명 : Three-dimensional Reduced-symmetry of Colloidal Plasmonic Nanoparticles)
| <연 구 개 요>
3차원 적으로 대칭성이 깨진 금속나노입자는 미시적으로는 입자 주변의 근접 장 (near-field)의 강화 효과나 거시적으로 빛의 산란효과와 같은 광학적 성질 측면에서 대칭적 나노입자가 가질 수 없는 유용한 광학적 성질을 지닌다고 알려져 있다. |
용 어 설 명
메타물질(Metamaterials)
기존의 소재가 갖고 있는 전자기 특성과 달리 유전율, 투자율, 도전율이 음(-)의 값을 갖는 소재로 기존의 소재로는 불가능했던 주파수 독립적인 파장, 위상, 굴절률 제어가 가능한 차세대 소재로 정보통신기기, 전자제품 등의 초소형화, 고성능화 등의 차세대 원천기술의 구현이 가능한 소재
메타물질(metamaterials) :
기존의 소재로는 불가능한 특징을 지닌 차세대 소재로, 정보통신기기, 전자제품 등의 초소형화, 고성능화 등 차세대 원천기술 구현이 가능한 소재
폴리스타이렌 (Poly-styrene)
열가소성 플라스틱의 하나로 가볍고, 맛과 냄새가 없다. 생활용품·장난감·전기절연체·라디오와 텔레비전 케이스, 포장재에 사용한다.
식각공정(에칭, etching) :
접촉되는 부분을 화학적으로 녹여 제거하는 공정으로, 에칭 후에는 표면이 비교적 깨끗해짐
Nano Letters 誌
재료, 화학, 공학 등의 융합 영역의 학문분야에서 나노기술 관련 논문들을 출판하는 세계적으로 권위 있는 학술지. 피인용 지수(Impact Factor)가 2011년 기준 12.219로, 전 과학 분야에서 상위 5% 이내에 랭크되는 학술지이며, 2001년 1월부터 발간되었다.
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<강태욱 교수>  ○ 소 속 : 서강대학교 화공생명공학부 2. 학력 1994 - 2001 서울대학교 화학공학과 학사 2001 - 2006 서울대학교 화학공학과 박사 3. 경력사항 2006 - 2008 University of California at Berkeley 박사후연구원 2008 - 현재 서강대학교 화공생명공학부 부교수 |
그림 2. 수용액 상에서 비대칭 금 나노입자 합성의 모식도. 금 나노입자에 폴리스타이렌나노입자를 붙인 후에 금을 다시 성장시키는 방법임.
그림 1. 용액 내에서 금속 나노입자를 합성할 때 필연적으로 대칭점이 생기는 것을 보여주는 모식도. 왼쪽 작은 핵이 합성과정에 생성이 되고 그 후에 어떤 모양으로 분화하든지 초기의 작은 핵이 전체구조의 대칭점으로 작용하게 된다.
그림 3. 본 연구의 주요 연구 결과 그림.
[그림 설명] 금(까만색)-폴리스타일렌 혼성 나노입자에 금 용액을 이용하여 금 입자를 성장시키면 조건에 따라 다양한 종류의 비대칭 금 나노입자를 만들 수 있다. 가운데 그림은 '퐁듀'처럼 혼성입자를 한쪽면만 금을 묻혀 비대칭입자를 만든다는 모식도임.
[사진 설명] 강태욱 교수 연구팀의 이치원 석사과정생(왼쪽)과 신용희 석사과정생(오른쪽)이 비대칭 금속나노입자를 합성하고 있다.
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