KIC News, Volume 10, No. 5, 2007
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전기장으로 나노입자를 정렬하다
코팅된 나노입자(nanoparticles)의 정렬은 고급 물질에서 나노장치(nanodevices)에 이르는 다양 한 응용성을 갖고 있지만, 기존에 제조되었던 나노입자들은 거의 언제나 임의로 배향된 형태를 띠고 있었다. 최근 미시건대(University of Michigan) 과학자들은 중심-껍질 나노입자(core-shell nanoparticles)에 발휘되는 토크(torque)를 정확히 측정할 수 있는 방법을 개발하였으며, 전기장 (electric field)이 가해질 때 이들의 회전방식을 설명할 수 있었다. 본 연구 결과는 미래 기능성 나노입자의 배향 및 조립을 조절할 수 있는 새로운 방법을 도출할 것으로 기대되고 있다.
연구 결과는 나노입자의 껍질이 얇거나 혹은 전체 부피 중 미미한 부분을 차지할지라도 배향 에 중요한 영향을 미친다는 것을 나타낸다고 연구 리더인 웨이 루(Wei Lu)는 말했다.
나노입자가 정렬된 재료는 임의로 정렬된 입자에서 볼 수 없었던 우수한 성질과 특별한 기능을 갖 는다. 하지만, 문제는 어떻게 디자인된 방식으로 수많은 나노입자를 배향시키고 분포시키느냐이다.
루 연구진은 이를 위해 전기장을 도입하였다. 나노입자는 마이크로 수준의 입자와 매우 다르다.
다시 말해 입자들은 다른 것과의 특정한 결합을 얻기 위해 용액 내에서의 분산을 증가시키는 작 용기 층으로 코팅된다. 이러한 코팅은 외부 자기장에서 입자가 배향되는 방식을 완전히 변화시킨 다. 브라운 운동 또한 이와 같이 작은 크기 수준에서 중요하며, 미시건 연구진은 이러한 모든 효 과를 고려하여 그들의 모델을 구성하였다.
연구 결과는 나노입자 배향에 대한 실험 조절의 거동과 정도에 대한 많은 의미를 담고 있다고 루는 말했다. 예를 들어, 중심-껍질은 디자인된 어떠한 방향으로 입자를 배향시키는데 이용될 수 있는 주파수 의존 거동을 나타낸다.
연구진은 소위 맥스웰 스트레스 텐서(Maxwell stress tensor, 참조: url)를 이용하여 입자 주변 의 닫힌 표면에 대한 전기적 토크를 계산함으로써 원하는 결과를 얻을 수 있었다. 또한 그들은 점도 및 브라운 운동(Brownian motion)으로부터의 토크도 고려할 수 있었다.
본 연구 결과는 나노입자의 배향과 분포를 조절함으로써 다기능 재료를 구축하는데 대한 정보 를 제공한다고 루는 말했다. 게다가, 이러한 기술은 입자 광자 밸브와 스마트 유리와 같은 기술에 응용될 수 있다. 이러한 물질의 성질은 나노입자가 정렬되는 방식에 의존한다. 예를 들어, 광밸브 에서 장치를 통과한 빛의 양은 가해진 전기장에 감응하여 변화되고 스마트 유리는 전기장이 가 해져 입자가 정렬되면 투명한 상태에서 불투명 상태로 변화된다.
현재 연구진은 나노 구조체가 전기장에서 자기 조립되는 방식을 모델화할 계획이다. 이러한 구 조체는 상이한 형태, 재료 성질 및 구조를 갖는 나노입자로 구성될 것이다.
(a) (b)
그림 (a) 공초점 중심-껍질 타원체. (b) x-축의 둘레로 중심-껍질 입자의 회전. 배향은 각도로 측정됨.
출처: KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』
김 상 범 (경기대학교)
