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빛을 조정하는 신재료의 개발에 기대

JST 전략적 창조연구추진사업에서 도쿄공업대학 연구팀은 갈륨 나노입자의 크기를 가역적으로 변화시키는 프로세스를 개발하여 금속 나노 구조체가 빛과 상호작용함으로써 그 빛을 흡수하는 ‘표면 플라즈몬 공조 흡수법’을 제어하는 데 성공하였다.

금, 은 등의 금속 나노 구조체는 표면 플라즈몬 공조를 이용한 플라즈모닉 재료 및 전기장 증강효과에 의한 1분자 수준의 계측장치로의 전개가 기대된다. 그 특성을 결정하는 것이 금속 나노 구조체의 크기, 형상, 배열 등 형태이다. 금 및 은으로는 제조한 금속 나노입자의 크기 및 형상을 열 및 압력 등 외부자극 및 화학처리로 변화시키는 방법이 알려져 있다.

최근 금 및 은보다 간단하게 형상을 바꿀 수 있는 금속재료로서 주목을 받고 있는 것이 실온에 가까운 융점을 가진 갈륨 및 갈륨합금 등의 액체 금속이다. 초음파조사로 갈륨 액적으로부터 나노입자를 형성하는 기술도 개발되었으며, 액체 갈륨 나노입자는 금, 은 대신에 자외광에 응답하는 플라즈모닉 재료로서 기대되고 있다. 생체분자의 대부분은 자외광영역에 흡수를 가지고 있기 때문에 자와광에 응답하는 플라즈모닉 재료의 개발에 의해 더욱 고감도의 1분자 수준에서 계측이 가능하기 때문이다.

그러나 변화시킨 크기 및 형상을 원래로 되돌리는 기술은 지금까지 확립되지 않았으며, 응용부분을 확대시키기 위해서는 액체 금속의 형상을 나노단위에서 보다 자유롭게 조절하는 기술이 바람직하다.

연구그룹은 형상을 제어하기 쉽다는 액체금속의 액체로서의 특징에 착안하였다. 갈륨 액적에 초음파를 조사하면 초음파의 진동으로 파쇄되어 분열과 융합을 반복하면서 서서히 작게 되며 최종적으로 나노입자화된다. 형성된 액체 갈륨 나노입자는 유기용매 중에 보호제로서 용해된 도데칸티올과 갈륨 표면에 형성되는 자연산화막(두께 약 2나노미터)에 의해 안정화된다.

강도, 온도, 시간의존성 등 초음파 조사 조건이 입자크기에 미치는 영향을 조사한 결과, (1) 2시간 정도의 장시간 조사에 의해 초음파 강도에 관계없이 동일한 입자크기가 되고, (2) 고온에서는 균형이 융합쪽으로 기울어 보다 큰 나노입자(20도에서는 35나노미터, 50도에서는 60나노미터)를 형성한다는 것을 알았다. 이러한 결과는 초음파조사에서 물과 기름을 유화시키는 상황과 유사하다. 물과 기름의 에멀젼 방울의 분열과 융합 균형에서 에멀젼 방울의 크기가 결정되도록 액체 갈륨 나노입자의 분열과 융합 균형이 입자의 크기를 결정하는 요인이라고 생각된다.

이러한 지견을 기초로 (1) 액체 갈륨 나노입자를 안정화하는 도데칸티올의 첨가량, (2) 자연 산화막을 제거하여 나노입자의 융합을 촉진하는 연산의 농도, (3) 온도를 조절함으로써 입자의 분열과 융합 균형을 제어한 결과, 입자크기를 나노미터 단위에서 가역적으로 제어하는데 성공하였다. 그리고 이 액체 갈륨 나노입자의 크기 변화에 따른 자외광영역에서 표면 플라즈몬 공조 흡수 파장이 변화하는 것을 확인하였다.

이번에 개발한 액체 갈륨 나노입자의 크기가 제어기술에 의해 금, 은 등 고체금속에서는 곤란하였던 것이 가역적으로 보다 자유로운 형태제어가 가능하게 되어 용도에 대응한 광학특성을 조절하는 새로운 플라즈모닉 재료에의 전개가 기대된다.

그림 1. 초음파 조사에 의한 갈륨 나노입자의 형성. (a) 갈륨 액적에의 초음파 조사에 의한 액체 갈륨 나노입자의 형성, (b) 주사형 전자현미경으로 관찰하면 평균 35나노미터의 나노입자가 형성된다는 것을 알았다. (c) 투과형 전자현미경으로 관찰하면 형성된 액체 갈륨 나노입자의 표면에 산소 및 탄소가 존재하여 보호제인 도데칸티올과 액체 갈륨 나노입자 표면의 자연산화막에 의해 나노입자가 안정화된다는 것을 알았다.