이동일 교수팀, 원자 수준으로 제어된 기능성 금 나노입자 개발

‘미국화학회지 (JACS)’에 논문 게재

바이오 이미징, 바이오 센서, 디스플레이 및 촉매 산업의 기술 혁신에 쓰일 수 있는 초정밀 금속 나노입자의 합성 및 물성 제어 기술이 개발됐다.

화학과 이동일 교수 연구팀은 크기 및 조성이 원자 수준으로 제어된 기능성 금 나노입자의 합성 기술을 개발했다. 연구팀은 금 원자 22개로 구성된 금 나노입자를 합성해 뛰어난 발광 특성을 확인했다. 금 나노입자는 매우 낮은 발광효율을 갖는 것으로 알려져 있으며, 기존에 보고된 최고의 발광 효율은 8% 정도에 그치고 있다. 연구팀은 금 나노입자의 발광이 입자 표면에서 발생하는 것을 최초로 밝혀내고, 입자의 표면제어에 의해 발광효율을 60% 이상으로 향상시킬 수 있는 방법을 개발했다 (그림1).

[그림1] 고발광 금 나노입자의 구조와 발광 특성(발광효율=66%)

개발된 고발광 금 나노입자는 생체적합성이 뛰어나 바이오 이미징과 센서 분야에 적용이 가능하며, 디스플레이 산업 등에도 적용이 가능하다. 본 연구의 결과는 화학분야 국제 최상위 학술지인 ‘미국화학회지(Journal of the American Chemical Society. JACS)’ 7월 1일자에 온라인 게재됐다.

또한, 연구팀은 금 원자 25개로 구성된 금 나노입자를 합성하여 입자의 독특한 전자에너지 구조를 밝혀냈다. 일반적으로 크기가 5 나노미터 이상의 금 나노입자는 에너지 밴드갭(Band Gap)이 거의 0에 가까운 금속성을 나타낸다. 하지만 금 나노입자가 매우 작아져 그 크기가 2 나노미터 이하로 만들어질 경우 밴드갭이 증가하고, 입자는 반도체 또는 거대 원자(superatom)와 같은 성질을 나타낸다.

본 연구에서는 금 원자 25개로 구성된 입자는 더 이상 금속성이 아니고 밴드갭이 1.3 eV인 거대 원자와 같은 성질을 갖는다는 사실을 밝혀냈다. 연구팀은 더 나아가 금 나노입자에 이종의 금속을 도핑해 입자의 물리적, 화학적인 성질을 조절할 수 있음을 최초로 입증했다. 금 입자의 중심 금 원자를 팔라듐 또는 백금 원자로 치환할 경우 나노입자는 구형에서 타원체로 구조변환을 일으키고, 그 결과 밴드갭도 0.3 eV로 감소하게 됨을 실험적으로 밝혀냈다(그림2).

[그림2] 도핑된 금 나노입자의 구조와 에너지준위 변환

도핑된 금 나노입자는 뛰어난 촉매 활성을 가져 다양한 전기화학 촉매 분야에서 활용이 기대되고 있다. 본 연구의 결과는 화학분야 국제 최상위 학술지 ‘미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)’ 8월 26일자에 온라인 게재됐다.