투명망토, 스텔스의 비밀은 비대칭 금속나노입자

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. 특히 이 모양의 특별한 광학적 성질은 바이오의학 분야와 아울러 메타물질 (metamaterial)과 같은 분야 큰 응용가능성을 지니고 있다.    기존에는 이러한 비대칭 모양의 금속나노입자를 합성하기위해서 평면 기판위에 구형태의 나노 입자 위에, 금속 증착시키는 방법을 이용하거나 속이 빈 금속 나노구체를 물리적으로 ion milling과 같은 기술을 이용하여 식각함으로써 만들 수 있다고 알려져 있다. 하지만 이러한 방법을 이용하여 비대칭 나노입자를 합성할 시에는 공정이 복잡 할 뿐 만 아니라 입자의 대량생산이 어려우며, 또한 합성된 나노입자를 바이오의학 분야에서 생체 내 투여물질로 사용할 수 없다는 한계점이 있었다. 반면, 이러한 평면 위에서 합성하는 방법의 단점을 극복할 수 있는 대안으로 용액 상에서 합성하는 방법을 들 수 있다. 하지만 비록 용액 상에서 다양한 모양의 나노입자를 합성하는 법이 많이 연구되어왔지만 용액 상에서 금속나노입자의 합성은 금속 결정의 seed를 성장시킴으로써 원하는 모양의 금속 나노입자를 합성하는 방법에 기반 하기 때문에 현재까지는 대칭적 나노입자만 합성되어왔다.  이러한 기존의 한계를 극복하고 강태욱 교수 연구팀 주도 하의 공동연구팀은 유럽 음식인 '퐁듀(fondue)'에 착안하여 용액 상에서 금과, 폴리스타이렌 (Poly-styrene) 나노 입자가 하나 씩 한 쌍을 이루는 혼성 나노입자를 합성 한 후, 금만 선택적으로 성장시킴으로써 용액 상에서도 비대칭 금 나노입자를 합성하는데 성공하였다. 합성 시에 첨가하는 금 이온의 양과 환원제의 종류, 그리고 폴리스타이렌 나노입자의 크기를 조절함으로써 다양한 형태의 비대칭 금속 나노입자를 합성할 수 있었다.  이번 연구팀이 제안한 합성 방법은 기존에 있던 다른 합성 방법보다 간편할 뿐 만 아니라 입자의 용액 상에서 합성이 이루어지기 때문에 비대칭 금속 나노 입자를 대량생산할 수 있고, 이를 통해 군사적으로 중요한 스텔스기능이 필요한 분야나 질병진단 및 치료 등의 바이오의학 분야에도 활발하게 응용될 것으로 기대된다.

 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.

<강태욱 교수> 1. 인적사항  ○ 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.