나노기술 및 정책 정보

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● 서울대학교 물리천문학부 박제근 교수, 화학공학과 현택환 교수, 한국과학기술원(KAIST) 물리학과 이순칠 교수, 일본 교토대학교 화학과 Yuichi Shimakawa 교수, 영국 Edinburg 대학교 화학과 J. P. Attfield 교수 공동 연구팀은 나노입자 자철광(Fe3O4)의 산화과정을 세계 최초로 실시간 규명

● 자철광은 자연에서 가장 흔한 철 산화물이면서 금속-절연체 상전이를 125K에서 가지는데 이 상전이는 Verwey 상전이라고 불리며, Verwey 상전이는 제대로 풀리지 않고 있는 응집물리학의 난제 중 하나

● 최근 자철광 나노입자는 의학이나 화학공학 쪽에서 응용 가능성이 많아 관심을 받아오고 있지만, 활발하게 응용하기 위해서는 나노입자 자철광의 화학반응, 특히 산화-환원 과정을 이해가 필요

● 연구팀은 나노입자 자철광이 아주 '느린' 산화과정을 거친다는 것을 실험적으로 발견하고, 이를 이용하여 좀 더 근본적인 문제인 Verwey 상전이를 고찰

● 나노입자는 단결정에 비해 상온에서 산화가 수백만배 이상 늦게 진행되며 부피가 작아 그 효과를 극대화할 수 있고, 소량의 산화 진행에도 Verwey 상전이는 민감하게 반응하므로 도핑 효과를 효율적으로 관측 가능

● 기존에 널리 알려진 Verwey 상전이의 도핑 효과는 Verwey 상전이 온도 (Tv)가 도핑의 양 (Fe3(1-d)O4)에 따라 선형적으로 감소하는 것이고, 또한 임계 도핑 (d=0.0039)를 넘어섰을 때 상전이 온도는 약 100K, 그리고 1차 상전이에서 2차 상전이로 변하게 되며, 도핑의 양이 d=0.012가 되면 상전이 온도가 약 80 K가 되며 그 이후에는 상전이가 소멸 

● 연구팀은 나노입자의 산화에서는 이런 선형적인 관계가 관측되지 않고, 80K의 최소 상전이 온도가 된 이후에 다시 95K 상전이 온도의 상태로 복원이 된다는 것을 최초로 관측하였고, 또한 이론 연구로 Fick's law를 이용한 확산 모델을 이용하여 통상적이지 않은 상전이 온도의 변화가 산화를 통해 유도된 나노입자의 변형 (strain)과 도핑의 균질성 (homogenity)과 크게 관련이 있다는 것을 제시 

● 본 연구로 발견된 자철광 나노입자의 아주 '느린' 산화를 이용한 방법은 다양한 나노입자에 쉽게 적용될 수 있어서 나노과학의 새로운 지평을 연 것으로 평가  

※ Nature Communications 게재(2021.11.04.), “Slow oxidation of magnetite nanoparticles elucidates the limits of the Verwey transition”