화학과 박성호 교수 연구팀, 전자기장 응집이 극대화된 복잡 나노프레임 입자 합성 기술 개발

- 화학 분야 최상위 학술지 Accounts of Chemical Research Supplementary 표지논문으로 선정

- 광학, 바이오센서, 촉매 등 다양한 분야에 활용 기대

화학과 박성호 교수 연구팀(제1저자 정인섭 박사, 공저자 김정원 박사과정, 이성우 박사과정, 박우철 석사과정)은 수용액상에서 다단계의 온-디맨드(On-demand) 화학반응을 개발하여 다양한 모양의 나노갭을 가지는 2차원, 3차원의 복잡 구조의 다면체 나노프레임 입자 합성을 보고하였다. 기존의 나노프레임 입자는 구조가 단순할 뿐만 아니라 내부에 넓은 공간으로 인하여 전자기장의 응집 효과가 떨어진다는 단점이 있었다. 또한, 수용액상에서 높은 균일도를 가진 나노프레임 합성에 관한 체계적인 합성법이 전무하였다.

이에 연구팀은 체계적으로 디자인된 다단계의 수용액상 합성방법을 통해 기존에 보고된 적 없는 구조적 복잡성이 극대화된 나노프레임 입자 합성의 체계적인 합성법을 정립하였다. 특히, 개발된 합성법은 기존의 "trial-and-error" 방식이 아닌 "rational and on-demand" 방식이어서 디자인 방식에 따라 입자의 차원(2차, 3차 등), 차수(나노 프레임 개수: 1, 2, 3, 4차), 다면체 형태(원형, 삼각형, 육각형), 나노갭 모양(원형, 삼각형, Y-shape) 등에 이르기까지 총괄적인 나노프레임 구조체의 라이브러리를 구축하였다.

또한, 정립된 합성법을 기반으로 새로운 형태의 러시아 인형을 본 뜬 마트료시카(matryoshka) 나노프레임을 제시하였는데 이는 여러 개의 다양한 모양을 가지는 프레임 구조체가 단일 개체 내에 반복적으로 중첩된 형태로 나노입자 합성 분야에 새로운 시각을 제시함으로써 기존 한계에 다다른 입자 합성 분야의 수준을 한 단계 높은 수준으로 끌어올렸다는 평가를 받았다.

박성호 교수는 "본 연구를 통해 우리 연구실에서 10년간 개발해온 다차원 다복잡 나노프레임 합성법을 체계적으로 정립할 수 있었을 뿐만 아니라 기존에는 보고되지 않았던 새로운 구조체를 학계에 제시하여 나노입자 합성 분야에 새로운 패러다임을 제시하였다."라며 "이러한 높은 전자기장 증강을 보이는 다차원, 다복잡 나노프레임은 바이오센서, 촉매뿐만 아니라 태양전지와 같은 에너지 분야에도 활용될 것으로 기대된다."라고 밝혔다.

본 연구는 2022년 정부(방위사업청)의 재원으로 국방과학연구소(미래도전국방기술연구개발사업)의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 화학 분야 최상위 학술지인 Accounts of Chemical Research(IF=24.466, JCR 상위 3.63%)에 2월 7일(목) 게재되었다.

※ 논문명: Multiple Stepwise Synthetic Pathways toward Complex Plasmonic 2D and 3D Nanoframes for Generation of Electromagnetic Hot Zones in a Single Entity