초록 ▼

본 연구과제는 빛과 금속 나노입자(특히 금과 은)의 상호작용에 대한 이해와 응용을 그 연구목표로 하고 있다.
빛과 금속 나노입자의 상호작용은 두 가지 측면에서 바라볼 수 있는데 하나는 금속 나노입자에 빛을 쬐어 줬을때 발생하는 금속 나노입자의 구조 변화를 연구하고 그 결과를 금속 나노입자의 구조 제어에 응용하는 것이고(빛→ 나노입자), 다른 하나는 역으로 금속 나노입자의 구조를 조절했을 때 빛과의 상호작용이 어떻게 달라지는지 살펴보고 이를 이용해 나노입자의 광학적 특성을 제어하는 것이다(나노입자 → 빛).
먼저, 금속 나

본 연구과제는 빛과 금속 나노입자(특히 금과 은)의 상호작용에 대한 이해와 응용을 그 연구목표로 하고 있다.
빛과 금속 나노입자의 상호작용은 두 가지 측면에서 바라볼 수 있는데 하나는 금속 나노입자에 빛을 쬐어 줬을때 발생하는 금속 나노입자의 구조 변화를 연구하고 그 결과를 금속 나노입자의 구조 제어에 응용하는 것이고(빛→ 나노입자), 다른 하나는 역으로 금속 나노입자의 구조를 조절했을 때 빛과의 상호작용이 어떻게 달라지는지 살펴보고 이를 이용해 나노입자의 광학적 특성을 제어하는 것이다(나노입자 → 빛).
먼저, 금속 나노입자에 빛을 쬐어 줬을 때 나타나는 변화를 관찰하기 위해 용액상에 금나노입자 응집체를 만들고 532 nm의 레이저를 조사해 주었다. 그 결과 금나노입자 응집체가 해리돼 다시 분산된 형태로 바뀌는 것을 볼 수 있었다. 이는 파란색에서 빨간색으로의 색깔 변화와 UV-vis 스펙트럼의 변화, TEM 상의 이미지 변화로 확인하였다. 이러한 응집체의 해리 현상은 금나노입자의 표면 플라즈몬 공명이 안정화 되면서 나노입자 표면의 응집유도 리간드를 탈착시키기는 광물리 반응 때문이다. 이러한 현상을 겔화된 금나노입자 응집체에 적용하여 공간적으로 조절된 컬러 패턴과 SERS 패턴을 레이저를 이용하여 만들 수 있었다. (Langmuir 2010, 26, 17808)
광물리 반응 뿐 아니라, 광화학 반응도 금나노입자 응집체의 구조에 영향을 미친다. 이번에는 photo-isomerization을 잘 일으키는 azobenzene 계열 화합물(Az)을 합성해 금나노입자 표면에 붙임으로써 응집체를 만들었다. 여기에 365 nm의 빛을 쬐어주면 이 Az가 trans에서 cis로 모양이 바뀌면서 금나노입자 응집체에도 영향을 준다는 것을 알 수 있었다. 금나노입자 응집체의 구조 변화에 대한 정보를 주는 UV-vis 스펙트럼과 Az의 구조 변화에 대한 정보를 주는 SERS 스펙트럼을 분석하여 isomerization 반응이 금나노입자 사이의 거리를 더 가깝게 하고, 그 결과 Az의 N=N 결합이 인접한 금나노입자와의 상호작용으로 약해진다는 것을 발견하였다. 이렇게 약해진 N=N 결합 때문에 Az의 back-isomerization 반응은 순수한 용액에서보다 15배 더 빨리 일어난다는 것을 알 수 있었다. (Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 13, 12900)
금속 나노입자의 구조에 따라 광학적 성질이 달라지는데 특히 나노입자 조립체는 광학적 특성을 제어할 수 있는 여러 parameter(구성 입자간 거리, 입자의 배치와 개수, 입자의 종류 등)가 있으므로 매우 유용하다. 문제는 이러한 parameter가 명확히 정의된 조립체를 높은 수율로 만들기 어렵다는데 있다. 우리는 amine으로 기능화된 유리 기판에 citrate로 안정화된 나노입자를 흡착시킨 후, sonication을 해주면 입자의 크기가 클수록, 용매가 dielectric할수록 나노입자가 더 잘 탈착된다는 사실을 발견하고 이를 바탕으로 새로운 조립 방법을 개발하였다. 먼저 큰 나노입자를 유리 기판에 흡착시키고, alkanedithiol을 이용하여 나노입자 표면을 thiol로 기능화한 후, 작은 나노입자를 붙여주면 유리 표면위에 코어-위성 형태의 조립체와 나중에 붙여준 작은 나노입자가 흡착되게 되는데, 이를 에탄올에서 sonication시켜주면 코어-위성 조립체만 선택적으로 탈착시킬 수 있어 순도 100%의 조립체용액을 만들 수 있다. 우리는 linker로 사용한 alkanedithiol의 종류를 바꿔줌으로써 코어와 위성 사이의 거리를 정밀하게 조절하여 입자간 거리가 가까워질수록 표면플라즈몬 커플링이 증가하여 extinction spectrum이 장파장쪽으로 이동함을 밝혔다. 또 코어와 위성 사이에 hot spot이 형성되어 SERS 신호가 발생함을 보여주었다. (ACS Nano 2012, 6, 7199)
은나노입자와 금나노입자는 표면플라즈몬 공명이 400 nm와 520 nm로 에너지상 멀리 떨어져 있어, 두 입자가 근접할 때 광학적으로 어떻게 커플링할 것인가가 매우 흥미로운 연구 주제이다. 우리는 은 코어-금 위성 나노입자 조립체를 만들고 코어와 위성간의 거리에 따라 커플링이 어떻게 달라지는지 측정하였다. 특이하게 입자간 거리가 1 nm 이하가 되면 스펙트럼의 변화가 고전적인 전자기 이론으로는 설명되지 않는다는 것을 발견하였다. 이는 입자들이 초근거리에 있으면 전자 터널링 등과 같은 양자역학적 현상이 발생하기 때문이다. 이러한 양자역학적 효과에 대해서는 나노입자 dimer를 이용하여 후속 연구가 진행중이다. (J. Phys. Chem. Lett. 2013, 4, 1371)

목차 Contents

• 일반연구자지원사업 최종(결과)보고서 ... 1
• 목 차 ... 2
• Ⅰ. 연구결과 요약문 ... 3
• Ⅱ. 연구내용 및 결과 ... 4
• 1. 연구과제의 개요 ... 4
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 4
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 5
• 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 7
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 7
• Ⅲ. 연구성과 ... 8