금 나노입자 변형 원리 밝혀내 제약·재생에너지 분야에 활용 가능

국내 연구진이 금 나노입자가 염화금산(HAuCl4) 용액내 입자의 농도와 시간에 따라 형태가 변하는 것을 밝혀내 향후 생물학 센서와 제약, 재생에너지, 촉매, 광학 등에 다양한 응용에 활용할 것으로 기대된다.

GIST 신소재공학부 김봉중 교수 연구팀은 액상에서 생성된 뾰족한(spiky) 금 나노입자의 성장 메카니즘, 운동학적 특성, 그리고 모폴로지(형태학) 변화를 투과전자현미경으로 실시간 관찰을 통해 최초로 규명했다고 22일 밝혔다.

이번 연구결과는 금 나노입자의 표면 플라즈몬 공명 센서, 생물학 센서와 제약, 약물 전달, 재생에너지, 촉매 등의 분야에 활력을 불어 넣을 것으로 기대된다.

김 교수 연구팀이 금 입자는 성장시에 반듯한 면으로 둘러싸인 상태에서 가시가 면에서 나와 고슴도치 모양의 입자로 변함을 밝혔다. 또한 자외선-가시광선 분광법을 통해 광범위한 파장대(530-1120 나노미터)에서 변화함을 확인했다.

이와함께 이론적 모델링을 통해 시간에 따라 입자 표면의 금 원자 농도를 정량적으로 구할 수 있었다. 더 나아가, 금 입자가 완전히 뾰족한 형태로 변하는 시간이 입자의 밀도에 반비례한다는 것을 밝혔고, 입자의 밀도는 빔 도즈에는 비례하나 액상 농도에는 크게 의존적이지 않음을 규명했다.

본 연구팀은 실시간 액상 셀 투과전자현미경 기법을 사용함에 있어 충분히 물을 순환시켜 기포를 완전히 제거하고, 전자빔의 크기와 전자수, 염화금산(HAuCl4) 용액의 농도를 조절해 단일 금 나노입자의 성장 환경을 만들었다. 또한 명시야상 이미징을 이용해 액상에 연속적인 전자빔을 투여할 수 있게 했다.

김봉중 교수는 "이번 연구 성과는 광학, 에너지, 촉매, 생명공학 등 광범위한 분야에 활용되는 뾰족한 금 나노입자의 생성, 성장, 그리고 형태의 변화를 표면이나 물질의 결함을 이용하지 않고 물질내의 해당 원자의 과농축만을 이용해 물질을 생성시키는 방법을 통해 정량화 한 최초의 결과로써, 해당 응용분야의 발전과 함께 핵생성을 통한 물질의 근본적인 생성 원리를 밝혔다는데 큰 의미가 있다"고 말했다.

GIST 신소재공학부 김봉중 교수(교신저자)가 주도하고 GIST 신소재공학부 정완길 박사과정 학생이 참여한 이번 연구는 삼성미래기술육성과제와 연구재단의 중견연구자과제 지원을 받아 이뤄졌다.

연구 결과는 화학분야 최고 권위지인 미국화학회지 Journal of the American Chemical Society에 지난 10일자 온라인 게재 및 표지 논문으로 선정됐다.

[e-mail] 김만기 기자