나노기술 및 정책 정보

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고체 상태 나노 포어(Nano pore) 기술은 최근 10년 간 새롭게 발전한 분석 검출 기술에 속하며, 동 기술이 사용하고 있는 목표물이 나노 포어를 통과할 때 발생하는 이온 흐름 변화를 이용하여 목표물에 대해 높은 시간과 공간 해상도 분석을 하게 됨. 이런 방법은 높은 정밀도를 가지기 때문에 단백질 분석, DNA 시퀀싱(sequencing), 스마트 바이오닉스 소재와 에너지 변환 등 분야에 응용할 수 있음.

나노 포어(Nano pore) 속의 이온 전송 이론 연구는 세포막에서의 이온 채널을 심층적으로 이해하는데 도움이 될 뿐만 아니라 바이오닉스 및 에너지 변환 분야에 응용할 수 있음.

2차원 소재는 나노 포어(Nano pore)를 제조에 독특한 장점을 가지고 있으며, 두께가 얇고 표면에 제조 가능한 공경(aperture)을 가지면서 화학 후(後) 수정할 수 있는 특성은 3차원 소재보다 더욱 밝은 응용 전망을 가짐.

현재 연구 분야 내의 2차원 소재는 주로 그래핀, 이황화몰리브덴, 질화붕소, PET 등이 있으며, 관련 연구 보고에서는 나노 한계 범위 내에서 자연계의 특수한 물리화학적 현상을 드러내고 있음.

하지만 현재의 대부분 소재는 막 표면에서 정밀 포어(pore)를 제조해야 하는 작업이 필요하며, 제조 과정은 복잡하고 원가가 높고, 관련 인원들에 대해 높은 전문성이 요구되기 때문에 고체 나노 포어(Nano pore) 개발을 제한하고 있음.

2차원 금속 유기 프레임워크 소재(2-D MOFs)는 새롭게 발전하기 시작한 시트 층 소재이며, 이런 소재는 다공성 구조 특성을 가지면서 종류가 다양하기 때문에 후(後) 수정과 공경을 쉽게 변화시킬 수 있어 응용 전망이 밝음.

MOFs를 고체 나노 포어(Nano pore) 분야에 응용하여 이온 전송 연구를 하고 있지만 초박(超薄) MOFs 나노 시트 관련 연구에서는 아직 돌파적인 성과를 얻지 못했음.

중국 난징(南京, 남경) 사범(師範) 대학교 꾸즈위안(古志遠) 교수 연구팀은 자체적으로 보유하고 있는 다공성 2-D MOFs를 고체 나노 포어(Nano pore)를 이용하여 전기영동에 기반한 MOFs 나노 포어(Nano pore)를 제조하는 새로운 방법을 개발하여, MOFs 나노 포어(Nano pore) 내의 비선형 이온 전달 현상을 발견하였음. 친소수성과 포어 지름을 변화시켜 메커니즘에 대한 연구를 통해, COMSOL 다중 물리 영역 시뮬레이션으로 메커니즘을 검증하였음.

우선, 연구팀은 전기충격을 통해 나노 포어(Nano pore)를 SiNx 상에 제조하여 기판으로 사용하고, 바텀업(Bottom-up) 방식으로 2차원 Zr-BTB-BA 나노 시트를 직접 합성하였으며, 전기영동 방식으로 MOFs 나노 포어(Nano pore) 연구 플랫폼을 구축하였음. 용액의 산 알칼리성에 대한 변화을 통해 다른 산 알칼리 조건에서 나노 포어(Nano pore) 내의 이온 전송은 전하 및 소수성 작용에 의해 영향을 받는다는 점을 발견하였음.

산성(酸性) 조건에서 소재의 소수성은 작은 전압 범위 내의 전류-전압(I-V) 곡선 플랫폼을 발생으로 작은 폭의 이온 정류(Ion rectification)를 보이지만 알칼리성 조건에서는 소재의 전하 역할이 위주가 되어 전기 특성 변화가 일어나 이온 정류의 반전과 증강을 보임.

연구팀은 서로 다른 조제 합성 2차원 Zr-BTB-FA, Zr-BTB-PABA 나노 시트의 친소수성을 비교한 결과, I-V 곡선 상의 플랫폼 출현은 나노 포어(Nano pore)의 소수성 작용에 의한 것임을 검증하였으며 전하 작용으로 인해 정류 현상이 발생한다는 점을 발견하였음.

마지막으로 연구팀은 COMSOL 시뮬레이션를 통해 나노 포어(Nano pore) 내 음이온과 양이온의 전송 거동에 대해 연구하였으며, 두 가지 이온은 서로 다른 전압 극성(極性)에 도달할 때 전류에 대한 기여도가 제일 큰 차이를 나타내어 이온 정류 현상을 발생시킨다는 점을 발견하였음.

초박(超薄) MOFs 나노 시트 비선형 이온 전송 연구는 나노 포어(Nano pore)에서의 전송 메커니즘 연구에서 중요한 의미가 있으며 나노 포어(Nano pore) 이온 검출 등 실제 응용 과정에서 대체할 수 없는 역할을 발휘하고 있음.

본 연구 성과는 ‘Advanced Functional Materials’ ("Nonlinear Ion Transport through Ultrathin Metal–Organic Framework Nanosheet") 지에 게재됨.