이상헌 교수 연구팀, 나노 합성 기술에 숨겨진 원자의 비밀을 찾아내다
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- 등록일2021.08.24
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화학신소재공학과 이상헌 교수 연구팀이 양자역학 모델링과 원자 단층 촬영 기술을 통해 나노 입자 표면에 존재하는 리간드 분자들이 나노 물질의 성장을 조절하는 원리를 세계 최초로 규명했다.
연구결과를 담은 논문 「Three-dimensional atomic mapping of ligands on palladium nanoparticles by atom probe tomography」는 7월 14일(수) S급 국제학술지 <Nature Communications> 온라인 판에 게재됐다. 본 연구는 이상헌 교수와 KAIST 신소재공학과 최벽파 교수의 공동연구로 진행되었으며, 본교에서 학사와 석사 학위를 받고 The University of Texas at Austin 박사과정에 재학 중인 유지원 동문이 공동저자로 참여했다.
리간드는 나노 입자 합성 시 포함되는 긴 사슬 형태의 유기 분자로서, 밤송이와 성게의 가시처럼 입자 표면과 결합하여 입자들 간의 응집을 방지할 뿐 아니라 입자의 형태와 각종 특성까지 조절한다는 사실이 밝혀지며 나노 입자의 합성과 설계에 있어 중요성이 점점 더 커지고 있다. 실제로 리간드 활용 합성법은 실험실 수준에서 다양한 물질들의 합성에 쓰이고 있으며, 디스플레이 소재용 양자점 대량 생산 등의 상용화 기술에도 이미 적용되고 있다.
하지만 기술적인 어려움으로 인해 리간드 분자와 나노 입자 상호 작용을 직접 관찰하기 어려워 그동안 리간드 분자들이 나노 물질의 성장을 조절하는 원리에 관한 과학적인 이해는 추측 수준에 머물러 있었다.
연구팀은 원자 단층 촬영 현미경을 활용하여 서로 다른 리간드 조합을 통해 합성된 두 종류의 팔라듐 나노 입자 표면에 존재하는 리간드 분자들의 3차원 분포를 원자 단위에서 관찰하는데 성공했다. 이어 양자역학 모델링에 기반한 표면 열역학 분석을 수행함으로써 특정 리간드 조합이 팔라듐의 특정 표면을 선택적으로 안정시키고 이를 통해 균일하고 규칙적인 모양의 나노 입자 형성을 가능하게 한다는 원리를 밝혀냈다.
(위) 리간드 합성법 적용 팔라듐 나노 입자의 원자 단층 촬영 결과 | (아래) 팔라듐 나노 입자가 특정 형태를 가지며 성장하는 메커니즘
연구팀이 실험-이론 융합 연구를 통해 확보한 기술 및 결과는 리간드 조절을 통한 나노 입자 형상 제어에 대한 근본적인 이해를 높이고, 우수한 특성을 가진 나노 입자를 설계하고 제조하는데 직접 적용되거나 응용될 수 있다.
이상헌 교수는 “신물질을 만들어내고 우수한 성능을 보고하는 것도 중요하지만, 원자 수준의 이해를 바탕으로 신물질의 형성 및 작동에 관한 메커니즘을 밝혀내는데 초점을 두고 연구를 진행하고 있다”며 “이번 연구는 기존에 상반되었던 연구 결과들을 모두 포용할 수 있는 실험적, 이론적 결과를 제시했다는 점에서 학술적으로 매우 중요하다”고 의의를 밝히고, “이화여자대학교의 연구 인프라를 충분히 활용하고 최고 수준의 제자들과 함께 노력해서 세계적인 성과를 내어 매우 기쁘다”고 전했다.