금 또는 은과 같은 귀금속들은 크기가 나노 수준으로 작아짐에 따라 표면 플라즈몬 공명이라고 하는 독특한 현상을 나타낸다. 금속 표면의 자유전자의 총괄적인 출렁임으로 인해 나노입자의 크기 또는 모양, 주변 매질에 따라 다양한 파장대의 색이 나타내어지고 특정 파장의 빛을 입자 주위에 국소적으로 모을 수 있어 광학, 바이오센서, 촉매, 에너지를 아우르는 광범위한 분야에 적용되어왔다.

기존에 보고되어오던 구 또는 막대 형태와 같은 단순 나노 구조체는 입자 합성이 쉬워 많이 사용되어왔지만 낮은 전자기장 응집효율로 인하여 실제 응용 분야에 적용하는 데 어려움이 있었다. 또한, 최근 주목받는 나노프레임 형태를 가진 입자의 경우 넓은 내부 공간으로 인하여 빛과의 효율적인 상호작용이 어렵다는 한계점이 존재하였다. 더욱이, 수용액상에서의 합성법 개발은 입자 간의 다양한 반응으로 인해 높은 수율로 균일한 모양과 크기를 조절하는 것이 굉장히 어려웠다.

이에, 성균관대학교(총장 유지범) 화학과 박성호 교수 연구팀은 ‘Cosmic Bowl*’과 ‘Matryoshka Doll**’이라는 개념에서 착안하여 기존에는 볼 수 없었던 구조적인 복잡성이 극대화된 다차원, 다층, 다면체의 나노프레임 구조체 합성법을 성공적으로 개발하였고, 단일 개체 내 전자기장 응집 효과를 극대화하였다. 이는 나노입자 합성 분야에 새로운 패러다임을 제시함으로써 기존 입자 합성 분야의 수준을 한 단계 끌어올린 것으로 평가를 받았다.

수용액상에서 정교하게 조절된 다단계의 화학반응을 적용하여 다양한 모양과 크기, 개수를 가지는 나노갭을 단일 개체 내에 구현하여 구조적 시너지 효과를 통한 물리 화학적 특성을 강화하였다. 특히, 개발된 합성법은 기존의 “trial-and-error” 방식이 아닌“rational and on-demand” 방식이어서 체계적인 디자인 방식에 따라 입자의 차원 (2차, 3차), 차수 (나노 프레임 개수: 1, 2, 3, 4차), 조성 (금, 백금, 은), 다면체 형태 (원형, 삼각형, 육각형, 정육면체, 정팔면체), 나노갭 모양 (원형, 삼각형, Y-shape) 등에 이르기까지 광범위하고 총괄적인 프레임 기반의 독특한 나노 구조체의 라이브러리를 구축하였다.

이러한 다양한 종류의 입자를 빌딩 블락(building block)으로 사용하여 균일하고 높은 민감도를 가지는 자가조립 초격자(superlattice)기판을 제작하였고, 표면 증강 라만 산란 분석법을 활용하여 아토몰(aM, 10^-18M) 수준의 극미량의 화학 분자 및 피코몰(pM, 10^-12M) 수준의 임신 진단 호르몬을 검지하였다.

박성호 교수는 “본 연구를 통해 기존에는 보고되지 않았던 상상 속에서만 머무른 다차원 다복잡의 나노프레임을 구현하였고 그 합성법을 체계적으로 정립하여 학계에 새로운 패러다임을 제시하였다는데 중요한 의미를 지닌다. 다양한 나노프레임 라이브러리를 활용하여 기존 다양한 분야에 사용되어왔던 플라즈모닉 나노입자의 위치를 대체할 뿐만 아니라 높은 전자기장 증강이 필요한 생화학적 분자 검지, 촉매, 광학 및 에너지 생산 분야에까지 활용하고자 한다.”라고 밝혔다.

본 연구는 2022년 정부(방위사업청)의 재원으로 국방과학연구소(미래도전국방기술연구개발사업)의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과들은 나노 재료 및 화학 분야 상위 저널들에 연속적으로 게재됨으로써 그 중요성을 인정받았다. 

*(논문명 : Plasmonic All-Frame-Faceted Octahedral Nanoframes with Eight Engraved Y-Shaped Hot Zones, 제 1저자 : 김정원, 저널명 : ACS Nano (IF:18.027), 게재일 : 2022년 6월 28일)

*(논문명 : All-Hot-Spot Bulk SERS substrates: Attomolar Detection of Adsorbates with Designer Plasmonic Nanoparticles, 제 1저자 : Qiang Zhao, 저널명 : Journal of American Chemical Society (IF:16.383), 게재일 : 2022년 7월 27일)

*(논문명 : Three-dimensional Nanoframes with Dual Rims as Nanoprobes for Biosensing, 제 1저자 : Hajir Hilal, 저널명 : Nature Communications (IF:17.694), 게재일 : 2022년 8월 16일)

*(논문명 : Synthesis of Pt Double-Walled Nanoframes with Well-Defined and Controllable Facets, 제 1저자 : MohammadNavid Haddadnezhad, 저널명 : ACS Nano (IF:18.027), 게재일 : 2022년 12월 27일)

*(논문명 : Multi-Layered PtAu Nanoframes and their Light-Enhanced Electrocatalytic Activity via Plasmonic Hot Spots, 제 1저자 : 이수현 저널명 : Small (IF:15.153), 게재일 : 2023년 1월 8일)

*(논문명 : Multiple Stepwise Synthetic Pathways toward Complex Plasmonic 2D and 3D Nanoframes for Generation of Electromagnetic Hot Zones in a Single Entity, 제 1저자 : 정인섭, 저널명 : Accounts of Chemical Research (IF:24.466), 게재일 : 2023년 2월 7일)

*Cosmic Bowl: 독일의 수학자이자 천문학자인 요하네스 케플러는 우주가 다섯 개의 플라톤의 다면체들로 이루어진 행성들이 각각 내접하고 외접하는 관계로 구성된다는 ‘Cosmic Bowl’을 제시하였다. 연구팀은 이를 본따 만약 다면체 나노프레임 입자들이 하나로 합쳐진다면, 새로운 구조적, 광학적 특성을 보일 것으로 예상하여 입자 합성 디자인을 계획하였다.

**Matryoshka Doll: 또한, 정립된 합성법을 기반으로 새로운 형태의 러시아 인형을 본 뜬 마트료시카(matryoshka) 나노프레임을 제시하였는데 이는 여러 개의 다양한 모양을 가지는 프레임 구조체가 단일 개체 내에 반복적으로 중첩된 형태로 나노입자 합성 분야에 새로운 시각을 제시함으로써 기존 한계에 다다른 입자 합성 분야의 수준을 한 단계 높은 수준으로 끌어올렸다는 평가를 받았다.

※ 논문명 : Multiple Stepwise Synthetic Pathways toward Complex Plasmonic 2D and 3D Nanoframes for Generation of Electromagnetic Hot Zones in a Single Entity (DOI: https://doi.org/10.1021/acs.accounts.2c00670)

[그림1. 다단계의 2차원 복잡 구조 나노프레임 합성 모식도]

[그림2. 이중-림을 가지는 나노프레임 합성법, 제작된 입자의 주사전자현미경 이미지 및 균일한 자가조립 기판의 극대화된 전자기장 증강 효과 시뮬레이션]

[그림3. 금 나노입자 결정면의 에너지 차이를 이용한 선택적 백금 증착 및 금 에칭 기법을 활용하여 다양한 모양을 가지는 백금 기반의 단일 또는 이중림 구조 나노프레임 입자의 이미지]

[Accounts of Chemical Research 저널 2월에 Supplementary cover로 선정]

[ACS Nano 저널 2022년 6월 Front cover로 선정]