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광학·제약에서 사용되는 '뾰족한 금 나노입자' 제어 원리 첫 규명

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광학·제약에서 사용되는 '뾰족한 금 나노입자' 제어 원리 첫 규명

2019.07.22 12:00
광주과학기술원(GIST)은 김봉중(왼쪽) 신소재공학부 교수 연구팀이 액상에서 생성되는 뾰족한 금 나노입자의 성장 메커니즘, 운동학적 특성, 형태학적 변화를 밝혀냈다고 22일 밝혔다. 정완길(오른쪽) GIST 신소재공학부 박사과정생도 제1저자로 연구에 참여했다. GIST 제공
광주과학기술원(GIST)은 김봉중(왼쪽) 신소재공학부 교수 연구팀이 액상에서 생성되는 뾰족한 금 나노입자의 성장 메커니즘, 운동학적 특성, 형태학적 변화를 밝혀냈다고 22일 밝혔다. 정완길(오른쪽) GIST 신소재공학부 박사과정생도 제1저자로 연구에 참여했다. GIST 제공

국내 연구팀이 생물학 센서나 제약, 촉매 등에 사용되는 금 나노입자의 크기와 형태 변화를 제어하는 원리를 규명하는데 성공했다. 금 나노입자는 다양한 분야에 쓰일 차세대 물질로 꼽히고 있어 향후 관련 산업에 유용하게 사용될 기술로 평가된다. 

 

광주과학기술원(GIST)은 김봉중 신소재공학부 교수 연구팀이 액상에서 생성되는 뾰족한 금 나노입자의 성장 메커니즘, 운동학적 특성, 형태학적 변화를 밝혀냈다고 22일 밝혔다.


금 나노입자는 입자의 크기와 뾰족함의  정도에 따라 가시광선에서부터 자외선 영역의 광 파장까지 조율하는 특성이 있다. 입자 크기와 뾰족함의 정도와 관련된 금 나노입자의 성장과정 전반을 실시간으로 관찰하기 위해 나노 해상도로 금 나노입자를 관찰할 수 있는 액상 투과전자현미경법이 활용됐다. 


다만 이 방식은 액체에 들어있는 기포를 제거하기 어렵고 단일입자 생성이 불가능하다는 점이 한계로 지적돼 왔다. 이번 연구 논문에 제1저자로 참여한 정완길 박사과정생은 “액상 속에 기포가 있거나 여러 입자가 생성될 경우 입자들끼리 상호작용을 하기 때문에 입자의 변화를 정량적으로 측정하기 어렵다”며 “연속적인 전자빔을 투여해야 정량적으로 정확한 입자의 성장과정을 관찰할 수 있다”고 설명했다. 

 

연구팀은 이런 액상 투과전자현미경법의 단점을 해결했다. 우선 충분히 물을 순환시켜 기포를 완전히 제거했다. 그런 다음 1초 동안 단위면적당 도달하는 전자의 수와 금 입자 생성에 영향을 미치는 HAuC14 용액의 농도를 조절해 단일 금 나노입자의 성장 환경을 만들었다. 연구팀은 “투과되는 빔을 조리개로 선택해 이미징하는 기법인 명시야상이미징을 사용해 액상에 연속적인 전자빔을 투여할 수 있도록 했다”고 설명했다.


실험 결과 금 나노입자가 성장하면서 반듯한 면으로 둘러싸인 상태에서 가시가 돋아나와 고슴도치 모양의 입자로 변했다. 입자의 밀도는 1초동안 단위면적 당 도달하는 전자의 수에 비례하지만 액상 농도에는 영향을 받지 않았다. 금 나노입자는 530~1120 nm(나노미터·10억분의 1m)의 파장대에서 변화하는 것으로 확인됐다. 연구팀은 “금 나노입자가 뾰족한 형태로 변하는 시간이 입자의 밀도에 반비례했으며, 시간에 따라 입자 표면의 금 원자 농도를 정량적으로 구하는데 성공했다”고 말했다.


김 교수는 “이번 연구를 통해 광학, 에너지, 촉매, 생명공학 등 광범위한 분야에 활용되는 뾰족한 금 나노입자의 생성, 성장, 형태학 변화를 밝혔다”며 “해당 응용분야의 발전과 함께 핵생성을 통한 물질의 근본적인 생성 원리를 밝혔다”고 말했다.


이번 연구결과는 국제학술지 ‘미국화학회지’ 지난 10일자에 발표됐다.

 

뾰족한 금 나노입자의 성장과정 및 형태학적 변화를 나타냈다. GIST 제공
뾰족한 금 나노입자의 성장과정 및 형태학적 변화를 나타냈다. GIST 제공


 

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