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산업 생물학 센서-제약 등 응용 가능한 금 나노입자 성장 운동학 규명
메디컬투데이 지용준 기자
입력일 : 2019-07-22 12:39:11
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실시간 투과전자현미경 기법 이용해 규명
[메디컬투데이 지용준 기자]

GIST는 신소재공학부 김봉중 교수 연구팀이 액상에서 전자빔의 방사선 분해 원리를 통해 생성되는 뾰족한(spiky) 금 나노입자의 성장 메카니즘, 운동학적 특성, 그리고 모폴로지 변화를 액상 셀이 장착된 투과전자현미경내에서 실시간 관찰을 통해 최초로 규명했다고 22일 밝혔다.


이번 연구결과는 금 나노입자의 물성을 결정하는 크기와 모폴로지 제어 원리를 규명함으로써 표면 플라즈몬 공명 센서, 생물학 센서와 제약, 약물 전달, 재생에너지, 촉매 등의 분야에 활력을 불어 넣을 것으로 기대된다.

뾰족한 금 나노입자는 입자 표면에 위치한 가시의 뾰족한 정도에 따라 가시광선에서부터 자외선 영역의 광범위한 광 파장을 조율할 수 있는 플라즈몬 공명 특성을 가지고 있어 다양한 융합연구를 가능케 해왔다. 더불어, 가시의 성장과 함께 증가하는 금 입자의 크기도 광 파장에 영향을 미치므로 액상 내에서 생성되는 금 나노입자의 성장과정 전반을 실시간으로 관찰하는 것이 시급하게 요구돼 왔다.

이를 위해 액상내의 나노크기의 입자를 나노 해상도에서 실시간으로 관찰 할 수 있는 실시간 액상 투과전자현미경법이 개발되어 활용되어 왔으나, 현미경 내의 액상 셀에 존재하는 기포 제거와 단일 입자 생성이 불가능하고, 연속적인 전자빔을 투여하지 않는 이미징 기법의 문제로 인해 뾰족한 금 나노입자의 생성원리와 과정을 규명하는데 어려움이 있었다.

본 연구팀은 실시간 액상 셀 투과전자현미경 기법을 사용함에 있어 충분히 물을 순환시켜 기포를 완전히 제거하였고, 전자빔의 크기와 도즈, HAuCl4 용액의 농도를 조절하여 단일 금 나노입자의 성장 환경을 만들었으며, 명시야상 이미징을 이용하여 액상에 연속적인 전자빔을 투여할 수 있게 했

연구 결과, 금 입자는 성장시에 반듯한 면으로 둘러싸인 상태에서 가시가 면에서 나와 고슴도치 모양의 입자로 변함을 밝혔고, 자외선-가시광선 분광법을 통해 광범위한 파장대(530-1120 나노미터)에서 변화함을 확인했다. 또한, 이론적 모델링을 통해 시간에 따라 입자 표면의 금 원자 농도를 정량적으로 구할 수 있었다. 더 나아가, 금 입자의 모폴로지가 완전히 뾰족한 형태로 변하는 시간이 입자의 밀도에 반비례한다는 것을 밝혔고, 입자의 밀도는 빔 도즈에는 비례하나 액상 농도에는 크게 의존적이지 않음을 규명했다.


비엘
김봉중 교수는 “이번 연구 성과는 광학, 에너지, 촉매, 생명공학 등 광범위한 분야에 활용되는 뾰족한 금 나노입자의 생성, 성장, 그리고 모폴로지 변화를 균질 핵생성(Homogeneous nucleation)을 통해 정량화 한 최초의 결과로써, 해당 응용분야의 발전과 함께 핵생성을 통한 물질의 근본적인 생성 원리를 밝혔다는데 큰 의미가 있다”고 말했다.  
메디컬투데이 지용준 기자(yjun89@mdtoday.co.kr)
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