나노기술 및 정책 정보

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● 고려대학교 신소재공학부의 김영근 교수 연구팀이 100~200nm(나노미터) 크기의 나노 기공 내에 존재하는 금속 이온들이 외부 전기장 세기에 따라 다른 반응 경로를 가지는 것을 세계 최초로 규명

● 연구팀은 산성 분위기에 있는 금속 이온들에게 환원극으로의 전기장이 인가(유도)될 지라도 전극 표면에서 바로 반응하는 것이 아니라, 부도체 표면을 따라 흐르는 전류 흐름에 맞춰서 환원이 될 수 있음을 발견

● 이러한 환원 반응을 잘 제어할 수만 있다면, 가장 단순한 실린더형 나노와이어에서 가운데 부분이 뚫려있는 나노튜브형태, 심지어는 스프링과 같은 나노코일 형태 등 나노소재의 복잡성을 증가시키는 방향으로의 합성이 가능하다는 것을 이론과 실험적으로 확인하는데 성공

● 연구팀은 전구체 용액에 사용된 첨가제의 역할에 주목하였으며, 첨가제 중 하나인 바나딜이온(VO2+)은 산성 용액 내에서 약한 양전하를 띄고 있는 부도체인 산화알루미늄 표면을 매우 강하게 양전하로 충전시킬 수 있어 부도체 표면은 전극을 통해 공급된 전자들에게 있어서 전극의 표면뿐 아니라 새롭게 흐를 수 있는 추가적인 통로로 사용될 수 있음을 확인

● 추가로 환원제로 사용되는 아스코르브산(Ascorbic acid)을 적당량 첨가하면, 아스코르브산은 전구체 금속이온보다는 바나딜 이온과 우선적으로 반응하였고, 이러한 환원반응은 산화알루미늄 표면의 전하를 부분적으로 차폐하여 전구체 용액 내의 금속이온의 환원을 적절히 방해함으로써 일차입자(primary particle)들의 성장에 관여

● 실험 중에 바나딜아스콜베이트는 합성된 일차입자들을 그 형상에 따라서 나선형 구조로 연결시켜주는 역할을 했고, 이때 외부 전기장의 세기를 조절하여 연결 강도 조절이 가능하다는 것을 확인

● 연구 결과, 연구팀은 코발트, 철, 니켈, 구리 및 그 합금 등의 금속이온들을 같은 방법으로 나노코일의 형태로 합성하는데 성공하여 다양한 금속에 동일하게 적용될 수 있음을 증명

● 본 연구는 결정화 메커니즘을 새롭게 제시하여 나노구조체의 미세구조 및 형상을 모두 제어할 수 있다는 것을 밝혀냈으며, 최근 나노코일과 같은 복잡한 나노구조의 수요가 요구되고 있는 상황 속에서, 단순 합성 조건 조절만으로 손쉽게 대량 생산이 가능해진 만큼 학제 간 연구의 새 지평을 열 수 있을 것으로 기대

※ 용어설명

- 일차입자(Primary particle): 나노소재의 최종 형태를 이루기 전의 기본 구성 요소

※ Nano Today 게재(2021.11.26.), “Engineering the shape of one-dimensional metallic nanostructures via nanopore electrochemistry”

※ 과학기술정보통신부(중견연구자지원사업) 지원