□ 나노물질은 크기가 10억 분의 1m로 너무 자기때문에 위치를 옮기거나 제어하는 것이 쉽지 않습니다. (위) 나노 광집게 장치를 보여주는 모식도. 구슬 모양의 나노 물질이 노란색의 금속 나노안테나 주위로 모이고 있다. (아래) 실제 금으로 제작된 나노안테나(왼쪽)와 나노안테나 주위로 빛이 집속되는 형태를 보여주는 계산 결과(오른쪽).
최근 강한 레이저 빛을 쏘면 나노물질이 레이저 빛에 달라 붙어 레이저 빛과 함께 움직일 수 있는 광포획 원리가 밝혀지면서 나노물질을 제어할 수 있는 가능성을 열었습니다.
그러나 레이저 광포획은 나노물질을 제어하기 위해서는 매우 강한 레이저 빛이 필요한데, 강한 레이저 빛 때문에 나노물질이 쉽게 부서지거나 손상을 입는 문제가 있습니다.
이를 해결하기 위해 금속 나노구조체를 이용해 나노물질을 이동하는 방법이 고안됐지만, 여전히 나노물질에 손상을 입힐 뿐만 아니라 굴절률이 낮은 나노-바이오 물질은 제어할 수 없는 한계에 봉착했습니다.
□ 고려대 박홍규 교수와 강주형 박사, KAIST 서민교 교수 등이 주도한 연구팀이 빛을 이용해 나노-바이오 물질을 자유자재로 집어 원하는 곳으로 옮길 수 있는 나노 광(光)집게를 개발했습니다.
이번 신기술은 굴절률이 낮은 나노-바이오 물질을 제어할 수 없었던 기존의 나노 광집게의 한계를 극복해 모든 나노-바이오 물질을 자유롭게 제어할 수 있는 새로운 나노 광집게입니다.
연구팀은 적외선 영역의 빛을 강하게 한 점으로 모아 표면 플라즈몬이 도넛 모양으로 생성되는 새로운 나노안테나를 개발했습니다.
나노안테나는 금속 나노구조의 가장자리에 빛을 강하게 집속할 수 있는데, 이 특성을 이용하면 굴절률이 높은 나노물질은 금속 나노구조의 가장자리로, 굴절률이 낮은 나노물질은 금속 나노구조의 중앙으로 포획할 수 있는 원리입니다.
이 새로운 나노 광집게를 이용하면 수 백 분의 일 수준의 약한 세기 레이저 빛으로도 작동할 수 있어, 쉽게 손상될 수 있는 나노-바이오 물질도 자유롭게 효과적으로 이동시킬 수 있습니다.
특히 새로운 나노 광집게를 이용하면 유체 내에서 떠돌아다니는 DNA와 같은 나노-바이오 물질을 전혀 손상 없이, 원하는 곳으로 옮기는 등 자유자재로 제어할 수 있습니다.
이를 통해 기존에 실험실 수준에서 수행할 수밖에 없었던 연구를 손톱만한 크기의 작은 칩 위에서 간단히 구현할 수 있어 차세대 나노-광-바이오산업의 핵심기술이 될 전망입니다.
이번 연구에는 고려대 박홍규 교수와 강주형 박사, KAIST 서민교 교수, KAIST 윤태영 교수와 이용희 교수 등 7명이 참여했습니다.
연구 결과는 '네이처(Nature)'의 자매지인 '네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)'에 12월 13일자로 게재됐습니다.
(논문명: Low-power nano-optical vortex trapping via plasmonic diabolo nanoantennas)
박홍규 교수(앞줄 가운데)와 고려대 극미세 나노선 광소자 연구단의 멤버들.
용 어 설 명
표면 플라즈몬(surface plasmon) :
일반적으로 빛은 회절 한계에 의하여 파장보다 작은 크기로 집속할 수가 없다.
하지만 표면 플라즈몬을 이용하면 빛의 파장 이하의 작은 영역에서도 빛을 집속할 수 있다.
표면 플라즈몬이란, 빛과 전자가 결합되어 금속 표면을 따라 집단적으로 진동하는 파동을 말한다.
표면 플라즈몬을 이용하면 나노미터 수준의 미세한 영역에서 빛을 강하게 증폭시킬 수 있다.
나노 광(光)집게 :
나노 광소자를 이용하여 빛을 강하게 구속시켜서 나노물질을 광포획하는 장치.
기존 광집게에 비하여 약한 빛으로도 나노물질을 포획할 수 있어 높은 효율을 가진다.
또한 기존의 광집게는 빛을 렌즈로 모아서 나노물질을 포획하는 방식이므로 집적화 및 바이오-유체 칩에 사용하기에는 한계가 있다.
그러나 나노 광집게의 경우에는 나노미터 크기의 작은 소자 자체가 빛을 모아주는 나노렌즈의 역할을 하므로 외부에 렌즈나 빛을 모아주는 장치가 따로 필요하지 않고 바이오-유체 칩에 바로 집적화가 가능하기 때문에, 앞으로 많은 기대 가치가 있는 분야이다.
| <연 구 개 요> Low-power nano-optical vortex trapping via plasmonic diabolo nanoantennas J.-H. Kang et al. (Nature Communications - 2011. 12.13. 출판) 일반적으로 굴절률이 높은 물질은 빛의 세기가 센 쪽으로 힘을 받는다. |
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