Research

[POSTECH 연구팀, 금 나노클러스터 분해·재조립 기술로 차세대 발광소재 개발]

 이제 나노 세계에서도 ‘레고의 힘’이 발휘되고 있다. POSTECH 연구팀이 최근 금(Au) 나노클러스터(nanocluster)^*2 를 분해한 후 구리(Cu)와 다시 조립하는 기술로 기존보다 14배나 더 밝은 금속입자를 합성하는 데 성공했다. 화학과 박선아·서종철 교수 연구팀이 수행한 이 연구는 나노과학 분야 권위 있는 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 최근 게재됐다.

 연구팀이 주목한 것은 ‘나노클러스터’라 불리는 아주 작은 금속 덩어리다. 머리카락 굵기의 10만분의 1 수준인 나노미터(nm) 크기의 입자 중에서도, 나노클러스터는 마치 분자처럼 원자 단위로 정교하게 구조를 설계할 수 있어 차세대 발광 소자, 바이오센서, 촉매 등 다양한 기능을 부여할 수 있다. 특히 금 나노입자는 생체에 무해하고 안정적이어서 주목받고 있지만, 빛을 내는 효율이 낮아 실용성에는 한계가 있었다.

 연구팀은 이를 기존과 전혀 다른 방식으로 접근했다. 기존에는 처음부터 합금을 만들려고 시도했다면 POSTECH 연구팀은 ‘분해-재조립’이라는 창의적 접근법을 선택했다. 먼저, 금 나노클러스터(Au25)를 머캅토벤조산^*2 으로 조각조각 분해한 다음, 사이사이에 구리(Cu)를 끼워 넣어 ‘금-구리 합금 나노클러스터(Au13Cu4)^*1 ’로 다시 조립하는 것이다. 이 전략은 나노클러스터는 원자 단위에서 정교하게 설계해 기존보다 훨씬 밝은 빛을 낼 수 있게 한다.

 특히, 이 조립 과정을 실제로 관찰했다는 점도 주목할 만하다. 연구팀은 전기분무 이온화 질량분석(ESI-MS)과 광학 분광법을 이용해, 나노클러스터가 분해되고 다시 합금 클러스터로 재조립되는 전 과정을 실시간으로 추적했다. 

 실험 결과, 새로 조립한 금 나노클러스터는 기존보다 14배 더 밝은 빛을 냈고, 제조 성공률도 90% 이상으로 매우 높았다. 또한, 금 나노클러스터를 분해할 때 사용하는 화학물질의 구조에 따라 빛을 내는 성능이 달라진다는 점도 밝혀내 향후 더 정밀하게 성능을 조절할 길이 열렸다.

 이번 연구는 발광 소재의 기본 구조를 레고처럼 ‘분해하고 조립’하는 방식으로 설계함으로써, 기존의 한계를 뛰어넘은 점에서 의미가 있다. 이 기술은 암세포나 병원균을 더 정밀하게 찾아내는 바이오센서부터, 더 선명하고 에너지 효율적인 디스플레이, 고성능 LED 조명, 나아가 오염물질을 감지하는 환경 센서까지 다양한 분야로 응용될 것으로 기대된다.

 한편, 이번 연구는 한국연구재단 개인연구사업, POSTECH 양자동역학 연구센터(단장 주태하 화학과 교수) 및 POSTECH 기초과학연구소(소장 박재모 물리학과 교수)의 지원을 받아 수행됐다. 

DOI: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c01792

1. 나노클러스터(nanocluster): 2 nm(나노미터) 이하의 크기를 가진 물질로, 분리된 전자 구조를 가진다.

2. 머캅토벤조산: mercaptobenzoic acid, MBA

3. 합금 나노클러스터(Alloy nanocluster): 두 가지 이상의 금속 원소가 원자 단위로 혼합되어 있으며, 2 nm 이하의 크기를 가진 물질로, 분리된 전자 구조를 가진다.