우리 학교 신소재공학과 최벽파 교수 연구팀이 이화여자대학교 이상헌 교수 연구팀과 함께 원자단층 촬영 현미경을 이용해 나노 입자 표면에 존재하는 리간드 분자의 3차원 분포를 관찰하는데 성공했다. 우리 학교 신소재공학과 장규선 박사과정 학생과 독일 막스플랑크 연구소 김세호 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제학술지인 `네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF: 14.919)’에 게재됐다. 리간드의 3차원 분포를 최초로 규명했으며, 이를 통해 기존 연구들이 나노 입자 합성에서 리간드의 역할에 대해 서로 다른 결과를 이야기했던 이유를 밝힐 수 있었다.

리간드의 역할에 대한 다양한 결과들

    금속 나노 입자는 촉매, 연료 전지 등의 다양한 분야에서 사용된다. 콜로이달 금속 나노 입자 합성 시 사용되는 유기 분자인 리간드는 입자 간의 응집을 방지하며, 나노 입자의 최종 형태와 특성까지 조절한다. 따라서 원하는 용도에 알맞은 입자를 디자인하기 위해서는 리간드가 입자 표면에 어떻게, 얼마나, 어디에 존재하는지 알아야 한다. 하지만 기존 분석 기술로는 입자 합성의 핵심적인 역할을 수행하는 리간드의 3차원 분포를 파악하기 힘들어 리간드의 역할 및 작용 원리에 대해 설명할 수 없었다. 이 때문에 리간드의 한 종류인 Br 이온이 나노 입자 합성에 포함된 경우, 정육면체, 이십면체 등의 다양한 형태의 나노 입자가 나오는 이유를 알 수 없었다. 

원자 단층 촬영 현미경이란

    본 연구에서는 원자 단층 촬영 현미경(Atom Probe Tomography, APT)을 사용하여 리간드의 3차원 분포를 확인했다. 원자 단층 촬영 현미경은 아주 얇은 바늘 모양으로 가공된 시편 표면의 원자들을 고전압 또는 고에너지 펄스를 가해 차례차례 증발시켜 검출기에 충돌시킨 후, 기록된 원자의 충돌 위치와 순서, 그리고 충돌 원자의 질량 대 전하 비를 이용해 시편의 3차원 입자 분포를 재구성하는 분석 기술이다. 이는 3차원 원자 단위 분석 및 화학적 정량 분석이 가능하며, 옹스트롬(100억 분의 1미터) 단위의 공간 분해능과 모든 원소에 대해 동일한 검출 감도를 가지고 있어 리간드를 분석하는데 적절하다. 

연구 결과는

   연구팀은 세트리모늄 리간드와 할라이드 리간드를 이용해 두 종류의 팔라듐 나노 입자를 합성해 각각의 표면에 존재하는 세트리모늄 리간드의 밀도를 측정했다. 그 결과, Br 리간드가 입자 표면에 존재하는 세트리모늄 리간드의 밀도를 증가시킴을 밝혔으며, 이러한 상호작용이 나노 입자의 최종 형태와 산화 저항 특성을 결정하여 기존의 연구 결과들이 합치되지 않았던 이유를 규명했다. 즉, 나노 입자 합성에서는 보통 한 가지 이상의 리간드가 들어가는데, 기존의 연구에서는 이 리간드 분자 간의 상호작용을 고려하지 않고 하나의 리간드만 고려했던 것이다. 연구는 기존에 상반됐던 연구 결과들을 모두 포용할 수 있는 실험적, 이론적 결과를 제시했다. 
최벽파 교수는 “본 연구에서는 세트리모늄 리간드와 할라이드 리간드에 주목했지만, 나노 입자에 사용되는 리간드의 종류는 훨씬 많다”며 “다른 리간드 시스템에도 이 분석 방법을 적용해 새로운 지식을 도출하려 한다”고 전했다.