초록 ▼

□ 연구 목표 및 내용
○ 최종 목표
금속 나노구조체는 표면적이 넓고 구조적으로 불안정해 공기 중 산화가 잘되는 한계가 있다. 이를 근본적으로 뛰어넘을 수 있는 전략으로 금속 나노입자에 과잉 전자를 전달하여 산화에 저항성을 갖도록 한다. 이 전략에 따라 얻어지는 금속 나노입자는 귀금속에 준하는 높은 안정성을 가질 수 있으며 이를 항균 물질 및 촉매로 응용하여 높은 성능을 구현하는 것을 목표로 한다.

○ 전체 내용
<산화저항성 가진 금속 나노구조체>
- 대부분의 금속은 공기 중 산소와 접했을 때 이온

□ 연구 목표 및 내용
○ 최종 목표
금속 나노구조체는 표면적이 넓고 구조적으로 불안정해 공기 중 산화가 잘되는 한계가 있다. 이를 근본적으로 뛰어넘을 수 있는 전략으로 금속 나노입자에 과잉 전자를 전달하여 산화에 저항성을 갖도록 한다. 이 전략에 따라 얻어지는 금속 나노입자는 귀금속에 준하는 높은 안정성을 가질 수 있으며 이를 항균 물질 및 촉매로 응용하여 높은 성능을 구현하는 것을 목표로 한다.

○ 전체 내용
<산화저항성 가진 금속 나노구조체>
- 대부분의 금속은 공기 중 산소와 접했을 때 이온화 과정을 거쳐 산소에게 전자를 뺏기고 에너지적으로 안정한 금속산화물로 변하게 됨. 따라서 금속에 충분한 과잉 전자가 있다면 이온화 되는 것이 방지될 것임. 이를 위하여 일함수가 낮아 금속에 전자를 전달할 수 있는 물질을 사용하는 것이 본 연구의 핵심 전략임.
- 금속 나노입자에 전자전달을 잘할 수 있는 물질군으로 뛰어난 전자방출 물질로 알려진 2차원 무기 전자화물을 고려하고 있음. 전자화물(electride)은 이온결정성 물질로, 양전하를 띄는 2차원 결정프레임 층간 공간에 음이온 역할의 전자(anionic interstitial electron)가 존재함. 이러한 물질을 지지체(support) 및 환원제로 활용하여 금속 전구체를 환원하여 입자를 합성하고 산화를 막기위해 활용하고자 함.

<금속 나노입자의 항균/항바이러스 작용 효과 규명>
- 구리 및 은 나노입자의 항균·항바이러스 효과는 최근 COVID-19 로 엘리베이터 등에 부착되면서 더 널리 알려짐. 본 과제에서는 산화저항성을 가진 금속 나노입자의 항균, 항바이러스 효과를 일반 금속 나노입자와 비교 측정하고 메커니즘을 밝히고자 함.
- 항균성을 검사하는데 표준적으로 사용되는 E. coli나 S. aureus 균을 사용할 예정이며, 기존 항생제를 바탕으로 항균 효과 정도를 파악할 것임.
- 정확한 메커니즘을 규명하기 위하여 금속 나노입자가 생성하는 활성산소종 (ROS)을 정량적으로 분석하기 위하여 Fenton chemistry를 이용할 것임. ROS에 반응하여 형광을 발현하거나 전자 상자성 공명 (EPR) 신호를 발현하는 화합물질을 이용하여 ROS를 파악할 수 있음.

<구리 나노입자의 촉매반응 응용>
- 불균일 촉매 (heterogeneous catalysis)는 촉매 표면에 반응물질이 흡착되면서부터 반응이 시작되기 때문에 흡착 과정이 매우 중요함. 본 과제에서 얻어지는 금속 나노입자는 표면에 산화가 없이 음전하를 띄고 있어 반응물질의 흡착이 용이하고 생성물 선택성이 향상되는 효과가 기대됨.
- 과잉전자가 주입된 금속 나노입자를 이용하여 수소발생반응, 산소환원반응, 전기화학적 이산화탄소 환원반응을 진행할 예정임. 특히 구리 나노입자는 유일하게 이산화탄소로부터 고밀도의 에너지원을 얻을 수 있는 물질로, 생성물의 선택성을 개선하는 것이 현재 CO2RR 구리 촉매의 가장 중요한 목표임. 따라서 표면 흡착 에너지를 낮출 수 있는 구리 나노입자를 사용한다면 이러한 문제점이 해결될 것이라 예상됨.

○ 1단계
● 연구 목표
- 산화저항성을 가지는 Cu, Ag, Pd, Pt 등으로 이루어진 금속 나노구조체의 합성법을 개발하고 화학적, 물리적 물성을 면밀히 분석
- 개발된 금속 나노구조체를 활용하여 항균작용 및 전기촉매활성을 평가하고, 기존 금속 나노구조체 대비 향상된 성능을 유도하며, 이러한 성능 향상의 메커니즘을 규명하고자 함.

● 연구 내용
<금속 나노구조체의 항균/항바이러스 메커니즘 규명>
- 구리와 은의 contact killing 현상은 잘 알려진 바 있으나 메커니즘의 불명확성으로 인해 각 금속의 항균/항바이러스 효율의 최적화가 제대로 이뤄지지 않고 있으며, 사회적으로 그 효과도 저평가 받고 있는 있기에 그 메커니즘을 정확히 파악하는 것이 필수적이다. 주 작동 원인으로 알려진 구리 이온과 활성 산소종으로 인한 항균/항바이러스 효과를 정확히 파악해 정리함.
- 구리 나노구조체의 형상 제어 및 표면 개질을 통해 구리 이온과 활성 산소종 생성에 각각 주가 되는 요소들을 조절하여 항균 작용에 정량적으로 우세한 요소를 찾아냄.
<금속 나노입자 기반 나노안테나 활용한 전자이동 신호전달 관찰>
- 구리 나노입자의 항균/항바이러스 작용 시 필연적으로 일어나는 금속과 미생물 간의 전자전달을 광학적 신호로 detection 하기 위하여 cavity Quantum electrodynamics (CQED) 현상을 세포 내에서 유도할 수 있는 나노 크기의 갭 (nanogap, > 10~20 nm)을 가진 금속 나노구조체 합성.
- Biomolecule이 입자 내 침투할 수 있는 구조를 만들기 위하여 비대칭성을 가졌으며 한쪽에 열린 입구를 가진 3차원 nanocrescent를 합성함.
- Scattering 측정을 통해 biomolecule과 나노안테나 간의 in vitro strong coupling 확인한다. Biomolecule의 Rabi splitting이 관찰함.

○ 2단계
● 연구 목표
- 전하 컨트롤을 통한 항균/항바이러스 작용이 최적화 된 금속 나노구조체 개발
- 금속 나노구조체의 항균/항바이러스 작용 실시간 모니터링

● 연구 내용
<전하 컨트롤을 통한 항균/항바이러스 작용이 최적화 된 금속 나노구조체 개발>
- 표면개질제의 전하, 체인 길이에 따른 항균력을 비교하고 생성되는 ROS의 정성적, 정량적 분석을 수행.
- 표면개질제의 chirality에 따른 spin selectivity 현상을 이용하여 활성산소종의 singlet/triplet state 조절 여부 평가 및 이에 따른 및 항균력 비교
<금속 나노구조체의 항균/항바이러스 작용 실시간 모니터링>
- 박테리아 내부에서 안정한 플라즈모닉 나노안테나 개발
- 금속 나노구조체의 항균작용 실시간 모니터링하여 금속의 contact killing으로 인한 미생물의 사멸과정을 면밀히 조사.

□ 연구성과
- 수용액에서 안정한 spinel 구조의 CuCr2O4 나노입자를 합성하여 이의 항균작용 및 광열효과를 확인하였다. 또한 polymerase의 chain reaction을 손쉽게 가능하게 하기 위하여 적색 LED를 조사하여 사멸시킨 박테리아의 유전자를 증폭시키고 센싱할 수 있는 photonic PCR 물질로 사용할 수 있다는 성과를 도출함.
- 플라즈모닉 나노안테나와 chlorophyll a의 strong coupling으로 hybirized polariton state가 생성됨을 광학적으로 측정하여 단일 입자 레벨에서 생분자와의 strong coupling이 J aggregate이 없이도 가능한 것을 증명함.
- Spinel LiMn_1.5Ni_0.5O_4-δ를 사용한 리튬이온배터리의 성능과 망간 이온의 산화 상태의 연관성을

□ 연구성과의 활용 계획 및 기대효과
-금속 나노입자에 대한 산화방지 방법론을 정립
- 기존 나노소재에 전반적으로 존재해온 문제인 나노입자의 구조적 불안정성을 높이는데에까지 확장될 수 있음
-금속 나노입자의 항균 메커니즘은 다른 항균물질에 비해 제대로 밝혀지지 못한바 있으므로 본 연구에서 금속 나노입자의 항균 항바이러스 작용 기작에 대해 명확히 밝힌다면 항균기능을 향상시킴으로써 전염성 질병의 확산 방지에 기여할 수 있음
-금속 나노입자의 촉매응용의 한계가 되어온 표면 산화 및 안정성 저하 문제를 해결하여 에너지 자원 고갈 문제를 해결하는데 일조할 것임.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요약문 ... 2
• 목차 ... 4
• 1. 연구과제의 개요 ... 5
• 1) 연구 목표 ... 5
• 2) 연구의 필요성 및 범위 ... 5
• 2. 연구과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 6
• 3. 연구과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 8
• 1) 연구수행 결과 ... 8
• 2) 목표 달성 수준 ... 11
• 3) 목표 미달 시 원인 분석 ... 12
• 4) 중요 연구변경 사항 ... 12
• 4. 연구성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 13
• 5. 연구성과의 관리 및 활용 계획 ... 13
• 1) 연구성과의 활용 ... 13
• 2) 추가연구의 필요성 ... 13
• 6. 다음 단계 연구계획 ... 13
• 1) 연구 목표 및 내용 ... 13
• 2) 연구 추진전략 ... 14
• 3) 연구 추진일정 및 기대성과 ... 14
• 4) 다음 단계 연구비 사용계획 ... 14
• 5) 연구 성과의 활용방안 및 기대효과 ... 14
• 참고문헌 ... 21
• 끝페이지 ... 21