나노기술 및 정책 정보

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클수록 항상 좋은 것은 아니지만, 작게 시작하여 커질수록 좋아지는 것이 있음.

라이스 대학교(Rice University) 연구팀이 플라즈몬 나노입자의 탁월한 광 수확 특성과 촉매 폴리머 코팅의 유연성을 결합한 하이브리드 입자를 만들었음. 그들의 연구는 전자, 이미징, 감지 및 의학 분야에서 오랫동안 추구해온 플라즈몬 응용 분야에 힘을 실어줄 수 있음. 플라즈몬은 빛이나 다른 입력에 의해 여기될 때 일부 금속 표면에 생성되는 감지 가능한 에너지 잔물결임. 나노 안테나는 금, 은 및 알루미늄과 같은 금속으로 만들어진 미세한 구조임. 크기, 모양 및 유형에 따라 특정 입력에 민감하게 조정이 가능하므로 센서, 바이오 이미징 에이전트 및 치료제로도 유용함.

연구팀의 목표는 금속 코어에 폴리머 코팅으로 최대 에너지 전달이 가능한 하이브리드 나노 안테나를 만드는 것이었음. 연구팀은 빛에 민감한 니켈 기반 폴리머로 전기 화학적 지지체에 금 나노 입자를 코팅하는 방법을 발견했음. 빛에 의해 촉발되면 금 플라즈몬의 에너지가 코팅층으로 흐르고 전기 화학 셀에 적용된 전위는 용액의 단량체로부터 새로운 중합을 유도하여 코팅 크기를 두 배로 늘림. 생성된 하이브리드는 에너지를 폴리머 쉘로 전달하여 플라즈몬에서 나오는 빛 산란을 감쇠시킴. 바램은 우리가 폴리머에 에너지를 넣었기 때문에 이제 그 에너지를 이용하여 부드러운 계면의 표면에 있는 다른 분자와 반응할 수 있게 되는 것임. 연구된 금-폴리머 입자는 중합 전 약 35x85 나노미터였으며 중합 후 두 번 측정되었음. 실험과 시뮬레이션에서 최고점에 도달했을 때 나노입자에서 코팅으로 에너지를 전달하는 데 50 %의 효율성을 제공했으며 이는 이전 벤치마크보다 20 % 더 우수했음.

실험에는 산란 스펙트럼을 기록하기 위해 하이퍼 스펙트럼 암시야 이미징 현미경으로 인듐 주석 산화물 전극에 개별 코팅된 입자를 두는 것이 포함되었음. 연구원들은 금속과 폴리머 코팅 사이에서 빛 에너지를 전달하는 두 가지 가능한 경로인 전하와 공명 에너지 전달을 알고 있었음. 에너지 전달 경로를 이용하는 이 새로운 하이브리드는 플라즈몬 광촉매로 현재 두 가지 문제를 해결할 수 있음. 첫째 문제로는, 다른 경쟁 프로세스에 비해 전하 전송이 느리기 때문에 효율성이 낮은 경우가 많음. 둘째 문제로는, 전하 이동은 일반적으로 희생적인 반작용이 필요하거나 촉매는 시간이 지남에 따라 중독되는 것임. 그러나 이러한 에너지 전달 기반 하이브리드는 전자와 정공 전달이 동시에 발생하기 때문에 희생 반응이 필요하지 않음. 첫 번째 과제는 여기에서 저기로 에너지를 얻는 데 가장 적합한 폴리머를 찾는 것이었음. 현재 인텔의 리소그래피 공정 엔지니어인 Collins는 "나노 안테나와 폴리머가 흡수하는 광 스펙트럼을 측정하여 비교해 보면 매우 비슷해 보입니다."라고 말했음. 그러나 그들은 실제로 완전히 다른 방식으로 빛을 흡수하고 있으며 비결은 이 두 가지 메커니즘이 함께 작동하도록 하는 것임. 나노 안테나는 빛 에너지를 끌어 들이기 위해 거대한 그물을 던져 얻은 대부분의 에너지를 배고픈 폴리머에 공유하여 폴리머 혼자서 수확할 수 있는 것보다 훨씬 더 많은 에너지를 수확할 수 있도록 하는 것임. 연구팀은 금의 플라즈모닉 공명 쌍극자와 빛으로 트리거될 때 정렬된 니켈 중합체의 전기 쌍극자 전이를 결정하여 전하 캐리어가 중합체에서 이동할 수 있는 경로를 제공했음. 폴리머의 에너지는 잠시 후 소멸되고 금으로 돌아가지는 않았음. 폴리머 코팅은 수익이 감소하는 지점에 도달하였으나 더 이상 에너지 소멸을 보지 않을 행복한 장소가 있다는 것을 발견했음. 추가하는 폴리머는 나노입자에서 너무 멀리 떨어져 있었음. 빛 입력, 나노입자 구성 및 폴리머 사이의 모든 변수는 실용적인 응용 프로그램을 연구하는 대상이었음. 목표는 이러한 시스템의 라이브러리를 만들 수 있는 것으로, 애플리케이션에 따라 가장 높은 에너지 효율을 갖도록 스펙트럼을 이동하려고 함. 확실히 조정할 것이 많이 있음. 미래 응용 분야에서 새로운 나노 물질의 잠재력을 활용하기를 희망한다면 에너지 전달과 같은 기본적인 프로세스가 나노 및 거시적 규모에서 물질 특성을 어떻게 유도하는지 이해하는 것이 중요함.

본 연구 성과는 ‘ACS Nano’ (“Plasmon Energy Transfer in Hybrid Nanoantennas”) 지에 게재됨