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.
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
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.
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 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.
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