화학과 박성호 교수 연구팀, 다면체 나노프레임의 단일개체 합성 기술 개발

- 광학, 바이오센서, 촉매 등 다양한 분야에 활용 기대

독일의 수학자이자 천문학자인 요하네스 케플러는 우주가 다섯 개의 플라톤의 다면체들로 이루어진 행성들이 각각 내접하고 외접하는 관계로 구성된다는 ‘Cosmic Bowl’을 제시하였다. 이에 착안하여 만약 다면체 나노프레임 입자들이 하나로 합쳐진다면, 새로운 구조적, 광학적 특성을 보일 것이다.

화학과 박성호 교수 연구팀(공동1저자 유성재 박사, 이재원 석사과정, 공저자 Hajir Hilal 석박통합과정)은 수용액 상에서 화학반응을 체계적으로 조절하여, 전자기장 응집 효과가 극대화된 다층의 복잡 나노프레임 입자의 합성을 보고하였다. 기존의 나노프레임 입자는 내부 공간이 비어있기 때문에 빛과의 효율적인 상호작용이 어렵다는 한계점이 있었다. 이러한 관점에서, 여러 개의 나노프레임 입자가 나노미터 단위의 간격(~5nm)을 유지하며 하나의 개체로 합쳐진다면 구조적 시너지효과에 의해 발생하는 물리적 특성이 강화되어 기존의 한계를 뛰어넘을 수 있을 것이다.

연구팀은 수용액 상에서 새로운 화학반응을 단계적으로 정교하게 진행하여 복잡한 3차원 나노구조의 합성방법을 세계 최초로 제시하였다. 반복적인 합성 과정을 통해 나노 프레임 입자들을 하나의 입자로 통합하는 데에 성공하였고, 차수(나노 프레임 개수: 1, 2, 3, 4차), 조성(백금, 은), 다면체 형태(정육면체, 정팔면체)에 따라 나노프레임 입자의 명명법(‘N-th Nanoframe’)을 제시하였다.

합성된 나노 구조체는 기존의 다른 복잡 나노 구조체와 달리 면이 열린 상태이기 때문에 외부 타겟 분자의 직접 흡착을 통해 검지할 수 있으며, 구조적 집적도로 인한 전자기장 증강을 통해 단일 입자에서도 높은 라만 신호를 보였다. 또한 나노 프레임 개수가 증가하며 집적도가 높아짐에 따라 라만 신호가 지수적으로 증가하는 것을 확인하여 높은 전자기장 증강 효율을 규명하였다.

박성호 교수는 “본 연구는 높은 전자기장 증강을 보이는 복잡한 나노입자 합성 기술에 새로운 방법론을 제시하여, 기존에 제한되었던 3차원 나노입자 합성 분야를 발전시켰을 뿐만 아니라 바이오센서, 촉매 분야에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.

본 연구는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단(나노커넥트사업, 중견연구자지원사업)의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 과학기술 분야 국제 학술지인 “Nature Communications” (IF=17.69)에  8월 4일(목) 게재되었다.

※ 논문명 : Nesting of multiple polyhedral plasmonic nanoframes into a single entity