디자인을 통한 특정 구조와 기능성을 갖는 탄소 나노섬유(carbon nanofibers)의 합성은 나노기술 분야에서 현재 가장 주목을 받고 있는 연구 주제 중의 하나이다. 특히 이 기술은 산업적으로 매우 중요한 수소나 합성가스의 생산에 사용되고 있는 상용촉매의 활성을 크게 향상시키는데 필수적인 까닭에 지난 수십 년간 많은 연구 노력이 집중되 어 왔으며, 현재까지의 연구 결과에 의하면 나노 탄소섬유는 기상의 탄화수소가 높은 온도에서 나 노금속 촉매입자와의 상호작용을 통해 촉매 표면 에서 분해되어 탄소원자가 다중벽으로 이루어진 원통모양의 흑연으로 침적되는 것으로 알려져 있 다. 그러나 원자 수준에서 이 흑연이 어떤 과정을 통해 탄소나노섬유로 성장하는지에 대해서는 여 전히 규명되지 않은 상태로 남아 있는데, 이는 그 동안 실험적으로 높은 온도에서 촉매반응의 열역
학적 변화를 측정하기가 기존 분석 방법으로는 거 의 불가능하였기 때문이라고 할 수 있다. 최근 덴 마크 Topsφ e 연구소의 Helveg 박사 연구팀은 고 분해능 투과전자현미경을 사용, MgAl
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에 지지 된 나노니켈촉매하에서 메탄이 분해되는 반응에 서 탄소나노섬유의 형성과정을 직접 관찰하는데 성공하였다.MgAl
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에 지지된 나노니켈결정은 현재 steam reforming 공정의 상용촉매로 사용되고 있 는데, Helveg 박사 연구팀은 536℃에서 이 나노촉 매 하에서의 메탄 분해 과정을 일정 시간 동안 전 자 현미경으로 추적, 나노탄소섬유의 초기 성장단 계를 직접 확인할 수 있었다. [그림 1]에 나타낸 바와 같이, 촉매입자는 나노섬유의 끝 부분에 위 치하고 있으며 탄소나노섬유의 성장과 함께 촉매 입자가 증기상의 메탄과 상호 작용에 의해 반복적 으로 움직이는데, 매우 흥미있는 사실은 촉매입자 의 형태가 변화함에 따라 나노섬유의 성장이 가속136 … NICE, 제22권 제2호, 2004
그림 1. MgAl 2 O 4 에 지지된 나노니켈촉매하에서 메탄이 분해되는 과정을 실시간으로 관찰한 전자현미경 영상.
나노니켈결정의 신장/수축 과정이 탄소나노섬유의 성장과 밀접한 관련이 있음을 실험적으로 보여주고 있다.
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NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 22, No. 2, 2004 … 137
신·기·술·소·개
된다는 점이다. 촉매입자는 구형과 실린더 모양으 로 반복해서 형태 변화를 보이고 있는데, 실린더 모양으로 길게 늘어난 입자형태에서는 탄소원자 가 촉매표면에 확산되기가 구형 입자에 비해 보다 용이하기 때문에 정렬된 흑연층의 형성을 촉진시 키는 것으로 해석할 수 있다. 반면에 흑연층이 나 노니켈입자의 표면을 완전히 덮을 정도로 쌓이게 되면 기상의 메탄이 촉매표면과 더 이상 반응할 수 없기 때문에 탄소나노섬유의 성장은 멈추는 것 으로 확인되었다. 또한 Helveg 박사팀은 보다 높 은 배율의 전자현미경으로 니켈입자 표면을 관찰 한 결과를 토대로, 나노탄소 섬유의 핵형성과 성 장이 나노니켈입자 표면의 돌출 부분에서 single- atom step-edge mechanism에 의해 설명될 수 있는 실험적 증거를 제시하였다. 이 반응기구는 이론적으로도 타당한 것으로 밝혀졌으며, 나노금 속입자의 형태 변화에 따른 표면 에너지의 변화가 탄소나노섬유의 성장에 매우 중요한 변수임을 보 여주고 있을 뿐만 아니라 그 성장과정을 직접 관 찰함으로써 이 분야의 연구 수준을 한 차원 높인 업적으로 평가할 수 있다[Nature, vol. 427, p.
426(2004)].
(Au)
나노기술 발전의 중요한 역할을 담당하고 있는 나노입자기술은 벌크구조와 비교하여 나노입자가 가지는 독특한 물리화학적 특성에 기인한다. 현재 많은 관심을 받고 있는 연구기술분야로서 나노입 자 자체의 특성 뿐 아니라 나노입자-유기물 즉, DNA와 같은 작용기를 가진 유기물을 결합시켜 각각의 특성을 이용하는 연구가 최근 신기술로서 진행되고 있다.
이러한 기술의 예로써 최근 JACS에 발표된 연 구를 소개하고자 한다. 본 연구에서는 열에 민감 한(thermosensitive) 고분자를 금 나노입자에 결합 시켜 이를 이용한 온도센싱 특성을 살펴본 것이다.
실험방법을 잠시 살펴보면 [Scheme 1]에서 보듯 이 PPA(poly(N-isopropylacrylamide))에 thiol(- SH) 그룹을 붙힌 후 이를 수용액 상에서 금 나노 입자와 결합시킨다. PPA의 특성은 저임계용해온 도(LCST: 30~45℃)를 가지고 있어서 LCST 이하에서는 물에 용해되지만 LCST 이상에서는 용해되지 않는 특성을 가진다. 이러한 특성을 가 진 고분자를 금 나노입자와 결합하므로써 온도에 따른 상변이 현상을 증진시키는 결과를 나타낸다 는 것이 본 연구의 주요 내용이다.
[Scheme 1]에서의 방법으로 합성된 PPA-Au 입자는 [그림 1(B)]에서 보는 바와 같이 잘 분산 되어 있으나 Au 입자만을 합성한 경우 뭉치는 경 향을 나타낸다[그림 1(A)].
[그림 1(C)]는 PPA-Au 나노입자의 빛 투과 성을 나타내는 그림으로써 inset 그림에서 보듯이 25℃에서는 빛이 투과되어 배경의 무늬가 선명하 게 보이나 30℃에서는 빛투과율이 zero가 되어서 무늬가 보이지 않음을 알 수 있다. 이와 같은 PPA-Au 입자의 빛투과율의 온도의존성은 PPA 만을 사용한 경우에 비해서 상전이 온도가 낮아지 고 또한 sensitivity가 크게 향상됨을 볼 수 있다.
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