화학과 박성호 교수 연구팀, 전자기장 응집효과가 

극대화된 새로운 플라즈모닉 나노프레임 입자설계 및 광학적 특성 분석
- 관련 연구 결과, 최근 7개월간 세계적 학술지에 네 차례 시리즈로 발표
- 나노, 광학, 센서, 바이오 등 다양한 분야에서 큰 파장 효과 기대

공기 중에 떠다니는 해로운 물질을 신속하게 알아낼 수 있을까. 산업 현장에서 발생하는 휘발성이 강한 발암 물질이나 미세먼지에 포함되어 있는 몸에 해로운 물질 등을 쉽게 알아낼 수 있다면, 공공안전에 큰 도움이 될 것이다. 이를 위한 분석방법으로 표면증강라만산란법(SERS, Surface enhanced Raman scattering)이 있다.

SERS기법은 저 농도 화학․바이오 물질에 대한 정성․정량 분석이 가능한 정교한 광 분석기법으로, 나노입자를 이용하여 인체에 해로운 화학물질이나 바이러스물질을 검출하는 다양한 응용연구가 활발히 이루어지고 있다. 이름에서 알 수 있듯이 SERS기법은 플라즈모닉 성질을 갖는 금속표면과 표면에 흡착된 분석물질 사이에 물리적․화학적 상호작용을 통하여 증강된 라만신호를 측정하는 것이다. 

[그림1] 복잡성이 증가된 나노입자 합성과정 및 Single-particle SERS 특징 

지난 30년 동안 라만신호 세기에 주된 영향을 미치는 근거리 전자기장 증강 정도를 극대화하는 연구가 많이 이뤄졌으나, 재현성 있고 강한 세기를 갖는 라만신호를 얻는 데 한계가 있었다. 

화학과 박성호 교수 연구팀은 이런 한계를 극복하고 관련 연구결과를 최근 7개월간 세계적 학술지에 네 차례에 거쳐 시리즈로 발표해 학계의 많은 관심을 받고 있다.

연구팀은 근거리 전자기장이 강하게 증강되는 Hot spot area가 극대화된 이중 나노프레임구조를 세계최초로 개발했다. 연구팀은 수용액 상에서 진행되는 다양한 화학반응들을 개발하였고, 이를 이용하여 정교한 다단계 합성과정을 설계함으로써 백금 프레임을 주형으로 하는 복잡한 구조의 금 이중 나노 프레임을 성공적으로 합성하였다. 해당 연구 성과는 2019년 12월 네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 11.880)에 게재됐다. 

또한 연구팀은 정교한 나노입자의 구조 설계를 통해 표면증강라만산란법을 이용하여 단일 나노입자에서 분석물질의 라만 신호를 도출하고자 하였다. 그 결과 이중 금 나노 프레임 사이에서 형성되는 전자기장 핫존 (Hot-zone) 증강이 단일 나노 입자에서 라만 신호를 유도한다는 사실을 관찰했으며, 단일 나노 입자에서 편광된 빛의 방향에 상관없이 재현성, 균일도, 세기면에서 우수한 라만 신호를 가진다는 것을 확인하였다. 

해당 연구 성과는 2020년 5월 나노 레터스(Nano Letters, IF 12.344)와 2020년 6월 미국화학회지 (Journal of the American Chemical Society, IF 14.612)에 게재되었으며, 해당 논문은 SERS 분야에서 독창성을 인정받아 Journal of American Chemical Society 저널의 “주목할 만한 연구 성과(spotlights paper)”로 선정되었다. 

이어서 연구팀은 나노프레임 구조를 활용해 6개의 금 나노 구형 입자가 금속 브릿지로 연결된 3차원 구조체를 제작하였다. 해당 연구의 독창성을 인정받아 그 내용이 2020년 9월 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society, IF 14.612)에 게재되었다.

이처럼 연구팀은 4편의 연구 결과를 통해 나노 입자의 정교한 조절과 분석 방법론을 제시하였고, 극 저농도의 물질을 빛을 이용해 손쉽게 검지하는 활로를 개척하는 데 앞장서고 있다. 향후 나노, 광학, 센서, 바이오 등의 다양한 분야에서 큰 파장 효과를 일으킬 것으로 기대된다.

 [그림2] 저자 사진 <좌측 위부터 순서대로>
이정화(공동저자), 이성우(공동저자), Hajir(공동저자), 박성호 교수(교신저자) Navid(공동저자),

 김정원(제1저자, Nano Letters), 유성재(제1저자, nature communication 1편, JACS 2편)

[그림3] 연구실 단체사진