국내 연구진이 생물학센서와 제약, 촉매 등 광범위한 분야에서 활용하는 뽀족한 금 나노입자의 성장과정과 형태 변화를 실시간 관찰할 수 있는 기법을 개발했다.
광주과학기술원(GIST·총장 김기선)은 김봉중 신소재공학부 교수팀이 액상에서 뾰족한 금 나노입자의 성장 메카니즘과 운동학 특성, 형태(모폴로지) 변화 등을 투과전자현미경으로 실시간 관찰할 수 있는 기술을 개발했다고 22일 밝혔다.
뽀족한 금 나노 입자는 입자 표면 가시의 뾰족한 정도에 따라 가시광선에서부터 자외선 영역까지의 파장을 관찰할 수 있는 플라즈몬 공명 특성을 갖고 있다. 플라즈몬 공명은 금속 기판 표면에서 전자가 일정하게 진동하면서 특정 색을 반사하는 현상으로 이를 실시간 관찰하면 다양한 융합연구가 가능하다.
하지만 투과전자현미경의 액상 셀에 존재하는 기포를 제거하지 못한데다 단일 입자 생성이 불가능하고 연속으로 전자빔을 투여하지 못하는 이미징 기법으로 인해 뾰족한 금 나노입자의 생성원리와 과정을 규명하는데 어려움이 있었다.
김 교수팀은 실시간 액상 셀 투과전자현미경 기법을 사용하는 과정에서 물을 충분히 순환해 기포를 완전히 제거하는 기법을 개발했다. 또 전자빔 크기와 전자의 수(도즈), 염화금산 용액의 농도를 조절해 단일 금 나노입자의 성장 환경을 만들었다. 이어 회절 이미징 하나로 투과되는 빔을 조리개로 선택하는 명시야상 이미징을 이용해 액상에 연속적인 전자빔을 투여할 수 있도록 했다.
연구팀은 금 입자 가시는 성장시 반듯한 면으로 둘러싸인 상태에서 나와 고슴도치 모양의 입자로 변하고 자외선-가시광선 분광법으로 530-1120 나노미터의 광범위한 파장대를 갖는다는 사실을 규명했다. 입자 표면의 금 원자 농도를 정량적으로 계산하고 금 입자의 형태가 완전히 뾰족하게 변하는 시간이 입자의 밀도에 반비례한다는 것도 확인했다. 즉 입자의 밀도는 빔 도즈에는 비례하지만 액상 농도와는 큰 영향이 없다는 것을 입증했다.
김 교수는 “생명공학과 광학, 에너지, 촉매 등의 분야에서 다양하게 활용되는 뾰족한 금 나노입자의 생성, 성장, 형태 변화를 최초로 정량화했다”면서 “표면이나 물질의 결함을 이용하지 않고 물질내의 해당 원자의 과농축만을 이용한 균질 핵생성을 통한 물질의 근본적인 생성 원리를 밝혔다는데 큰 의미가 있다”고 말했다.
광주=김한식기자 hskim@etnews.com
