대학원 소식
박범철 박사(제1저자) & 고민준 박사(제1저자), 김영근 교수팀, 천연나침반 마그네타이트 메조결정, 자유자재로 조립하다.
2022.03.07 Views 656
천연나침반 마그네타이트 메조결정, 자유자재로 조립하다
리간드 이용한 메조결정 나노입자의 단위결정 정렬 방향 제어
연구결과, 네이처 커뮤니케이션즈 게재돼
리간드 이용한 메조결정 나노입자의 단위결정 정렬 방향 제어
연구결과, 네이처 커뮤니케이션즈 게재돼
▲ 왼쪽부터 김영근 교수(교신저자), 박범철 박사(제1저자), 고민준 박사(제1저자)
공과대학 신소재공학부 김영근 교수 연구팀은 버추얼랩 김영광 박사 연구팀과의 공동연구로 산화철 메조결정 생성 과정에서 리간드를 이용하여 메조결정의 미세구조가 달라지는 현상을 규명하고 자기적 특성 제어를 위한 새로운 접근 방법을 제시했다.
* 메조결정 : 아주 작은 단위결정들이 서로 뭉쳐있는 형태로 존재하는 소재로 낱개의 단위결정에서는 나타나지 않는 새로운 집합적 특성을 보지기 때문에 산업에 관심을 받고 있음
* 리간드 : 소재 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미하며, 소재의 특성을 결정하는 데에 중요한 역할을 함
해당 연구결과는 국제학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 3월 3일 자로 온라인 게재됐다.
나노크기의 산화철은 자기적 특성을 지녀, 생물 의학 및 전자공학 분야의 유망한 응용분야에 맞게 조정하는 데 있어 연구가치가 크다. 특히, 산화철 메조결정은 단위결정의 특성뿐 아니라, 어떻게 결합하는지에 따라서도 특성이 좌우되기에 메조결정의 형성과정에 대한 정확한 이해가 필요하다. 이론적으로 여러 경로가 제안되고 있으나, 실험적으로 확인한 연구는 없는데 이는 화학적 방법으로 진행되는 메조결정 합성과정에서 진행되는 방향성 부착 성장을 제어하기 어렵기 때문이다.
* 방향성 부착 성장 : 결정이 성장하는 경로의 하나로, 단위결정이 서로 같은 결정면으로 부착하며 성장하는 현상
연구팀은 산화철 단위결정의 표면에 부착되는 리간드의 종류를 조절하여 메조결정이 형성되는 과정에서 단위결정 간의 정렬을 제어할 수 있었다. 단위결정 간의 정렬이 틀어지면 상호간의 자기적 특성의 결합이 어려워지며 메조결정에서의 자기적 특성이 정렬된 경우와 달라짐을 확인했다. 또한, 밀도범함수 이론을 도입하여 리간드가 단위결정의 정렬에 영향을 미치는 원인을 분석했다.
* 표면에너지 : 소재의 최외각 원자가 외부에 노출되어 생기는 에너지로, 벌크 소재에 비해 표면적이 넓은 나노 소재에서 표면에너지가 훨씬 크게 나타나며, 낮은 상태가 안정하기에 나노 소재는 서로 결합하려는 경향이 있음
연구팀은 “산화철 단위결정을 메조결정으로 조립하는 과정에서 리간드를 이용해 방향성 부착의 정도를 조절하여, 산화철 메조결정의 결정학적 정렬이 자기적 특성에 미치는 영향을 실험적으로 밝혔으며, 나아가 응용분야에 맞도록 재료를 설계할 수 있다.”라고 연구의 의의를 설명했다.
이번 성과는 과학기술정보통신부 중견연구자 지원사업과 교육부 창의·도전연구 기반지원사업의 지원으로 수행됐다.
[ 용 어 설 명 ]
1. 메조결정
○ 아주 작은 단위결정들이 서로 뭉쳐있는 형태로 존재하는 소재로 낱개의 단위결정에서는 나타나지 않는 새로운 집합적 특성을 보이기 때문에 산업의 관심을 받고 있음
2. 리간드
○ 소재 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미하고, 소재의 물리·화학적 특성에 영향을 미치는 것으로 알려져 있음
3. 표면에너지
○ 소재의 최외각 원자가 외부에 노출되어 생기는 에너지로, 벌크 소재에 비해 표면적이 넓은 나노 소재에서 표면에너지가 훨씬 크게 나타나며, 낮은 상태가 안정하기에 나노 소재는 서로 결합하려는 경향이 있음
4. 방향성 부착 성장
○ 결정이 성장하는 경로의 하나로, 단위결정이 서로 같은 결정면으로 부착하며 성장하는 현상임
[ 그 림 설 명 ]
(그림1) 방향성 부착 성장에 의한 산화철 메조결정의 결정화 경로 제어
산화철 메조결정 합성 경과에 따른 중간 생성물과 산화철 메조결정의 투과전자현미경(transmission electron microscopy, TEM) 이미지(a)와 선택 영역 전자 회절(selectrd area electron diffraction, SAED) 패턴(b). 반응이 시작되고 1.5 시간 이후부터 중간생성물로부터 산화철 단위결정이 생성되며 점차 단위결정이 서로 결합하며 성장함을 보여준다. 중간 생성물에서 산화철로의 상 변화(점선)와 방향성 부착 성장(실선) 경로(c). 합성 시작 1.5 시간 에 측정한 영역(Region) 1과 2에서의 고해상도 TEM(high resolution TEM, HR-TEM) 이미지와 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform, FFT) 이미지. 영역 1은 단위결정이 방향성 부착 성장을 하여 결정면이 동일하게 나타남을 보여주며, 영역 2는 단위결정으로 형성되고 있는 중간생성물이 포함되어 결정면이 동일하지 않음을 보여준다.
(그림2) 결정학적 정렬의 정량적 분석
아크릴레이트가 리간드인 메조결정(ac-MC), 폴리아크릴레이트가 리간드인 메조결정(pa-MC), 마그네슘 이온 흡착 폴리아크릴레이트가 리간드인 메조결정(mg-MC) 각각의 단일 메조결정의 (311) 면에서 얻어진 SAED의 방위각에서 구한 방향성 계수 (a). 방향성 계수는 메조결정내의 단위결정의 정렬 방향일 얼마나 일치하는지를 나타내며, ac-MC의 정렬도가 가장 높고 mg-MC의 정렬도가 가장 낮음을 보여줌. HR-TEM으로 측정한 단위결정의 크기(청색)과 디바이-쉐러 방정식으로 계산한 결정립 크기(회색) (b). 각각의 메조결정의 크기분포임 (c). 각각의 메조결정은 균일하면서 비슷한 크기임을 보여줌.
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