아주 작은 물질 쉽게 찾는 '똑똑한' 소금 렌즈
아주 작은 물질 쉽게 찾는 '똑똑한' 소금 렌즈
  • 함예솔
  • 승인 2020.02.16 21:20
  • 조회수 845
  • 댓글 0
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요약

 

아주 작은 물질도 쉽게 찾아내는 똑똑한 소금렌즈가 개발됐습니다. 정렬된 탄소나노튜브에 소금물을 떨어뜨린 후 전기장을 가하면 소금 이온이 탄소나노튜브 외부 표면을 따라 이동하면서 소금 결정을 형성합니다. 소금결정 '옷'들은 실험실에서 일반적으로 사용하는 광학현미경만으로도 넓은 면적에 분포된 탄소나노튜브를 관찰 할 수 있게 해줍니다. 또한 소금결정이 탄소나노튜브의 광학 신호를 수백 배까지 증폭시킬 수 있다는 사실도 밝혔습니다. 

주변에서 흔히 볼 수 있는 '소금'을 이용해 일반적인 환경에서 나노 재료를 분석하는 기술이 개발됐습니다. 다양한 분자가 빛에 반응해 만드는 신호도 수백 배까지 증폭할 수 있어 나노 재료 연구에 매우 유용할 전망입니다. 

소금이용했다. 출처: AdboeStock
소금을 이용했다. 출처: AdboeStock

UNIST 에너지 및 화학공학부의 이창영 교수팀은 '소금결정'을 이용해 탄소나노튜브를 상온·상압에서 손쉽게 관찰할 새로운 기술을 개발했습니다. 탄소나노튜브 표면에 소금결정 '옷'을 입혀 탄소나노튜브의 위치와 모양 등을 관찰할 수 있습니다. 또 탄소나노튜브 위에 만들어진 소금결정들이 나노물질을 관찰 하는 '렌즈' 역할을 할 수 있다는 사실도 밝혔습니다. 해당 연구는 <Nano Letters>에 게재됐습니다. 

  • 탄소나노튜브(Carbon Nanotube)

탄소나노튜브는 원기둥 모양의 나노 구조를 지니는 탄소의 동소체입니다. 탄소 원자들이 육각형으로 결합을 하고 있으며 기계적, 전기적 성질이 매우 뛰어납니다. 벽의 개수, 구조의 대칭성에 따라 직경이 1㎚ 미만부터 100㎚ 이상까지 다양하며 길이는 짧게는 수㎚부터 길게는 수십㎝까지 합성할 수 있어요.

'소금'만 있으면 탄소나노튜브 볼 수 있다 

이온이동을 이용한 탄소나노튜브 대면적 소금 결정 형성 기술. 출처: UNIST
이온이동을 이용한 탄소나노튜브 대면적 소금 결정 형성 기술. 출처: UNIST

탄소원자가 육각형으로 결합해 원통 모양으로 연결된 탄소나노튜브는 특이한 기계·전기적 성질로 주목을 받는 소재인데요. 하지만 그 크기가 너무 작아서 일반적인 광학현미경으로 관찰하기 어렵습니다. 전자빔을 이용한 전자현미경이나 원자 사이의 힘을 이용한 원자힘 현미경 등으로 관찰이 가능하지만 사용 방법이 까다롭거나 관찰 가능한 면적에 제한이 있었습니다.  

 

연구팀은 주변에서 흔히 볼 수 있는 소금을 이용해서 이러한 한계들을 극복했습니다. 1차원으로 정렬된 탄소나노튜브에 소금물을 떨어뜨린 후 전기장을 가하면 소금 이온이 탄소나노튜브 외부 표면을 따라 이동하면서 소금 결정을 형성하게 됩니다. 이 소금결정 '옷' 들은 실험실에서 일반적으로 사용하는 광학현미경만으로도 넓은 면적에 분포된 탄소나노튜브를 관찰 할 수 있게 해줍니다. 소금 결정은 물에 잘 녹아 탄소나노튜브를 손상하지 않는 데다 씻어내기 전에는 안정적이라 반영구적으로 탄소나노튜브를 시각화할 수 있다는 장점 또한 존재합니다. 

 

신호 증폭시키는 '렌즈' 역할까지 하는 '소금'

 

또한 연구팀은 탄소나노튜브 위에 형성된 소금결정이 탄소나노튜브의 광학 신호를 수백 배까지 증폭시킬 수 있다는 사실도 밝혔습니다. 보통 물질은 빛을 받으면 내부 분자가 빛 에너지와 상호작용해 새로운 신호, 즉 광학 신호를 방출합니다. 이 신호를 증폭해 분석하면 물질 특성을 알 수 있는데 소금 결정이 광학 신호 증폭시키는 '렌즈' 역할을 하는 셈입니다. 실제로 연구팀은 '소금 렌즈'를 이용해 탄소나노튜브의 전기적 특성이나 지름까지 손쉽게 알아냈습니다.

'소금렌즈'를 통한 광학신호 증폭. 표지논문 선정. 출처:UNIST
'소금렌즈'를 통한 광학신호 증폭. 표지논문 선정. 출처:UNIST

제1저자인 UNIST 에너지 및 화학공학부 김윤태 박사는 "광학 신호를 증폭하는 정도는 소금 종류에 따른 굴절률 변화와 소금 결정의 모양과 크기로 조절할 수 있다"고 덧붙였습니다. 

 

연구팀은 한 발 더 나아가 '소금 렌즈'로 극미량의 포도당(glucose)과 요소(urea) 같은 분자를 탄소나노튜브 외부표면을 통해 이동시킨 뒤 탐지해내는 데도 성공했습니다. 탄소나노튜브 외부 표면에 형성된 소금 렌즈가 백경 분의 1몰(M)이 포함된 분자도 찾아낼 정도로 광학 신호를 증폭한 겁니다.

이창영 교수. 출처: UNIST
이창영 교수. 출처: UNIST

 

 

이창영 교수는 "일반적인 온도와 압력에서 나노 재료를 손상하지 않으면서 실시간으로 물성을 측정 가능하다는 게 이 기술의 핵심"이라며 "나노 재료와 나노 현상 연구에 널리 응용될 것"이라고 기대했습니다. 

 

 

 

 


##참고자료##

 


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