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- 이 바늘은 알려진 어떤 나노금 와이어나 나노금 막대보다 얇다.
- 근적외선에 의해 들뜨게 되면 형광과 인광燐光의 두 가지 파장으로 에너지를 방출
- 태양광에서 에너지를 얻는 데 사용될 수 있을 뿐만 아니라 생체 의학 영상에도 활용

독특한 금 양자(量子) 바늘 발견
화학자들이 독특한 광학 특성을 가진 초박형 금 바늘을 개발했다.

초박형에 이중 발광:
화학자들이 금 원자로 만들어진 완전히 새로운 형태의 나노금, 초박형 "양자 바늘"을 발견했다. 이 바늘은 알려진 어떤 나노금 와이어나 나노금 막대보다 얇다. 또한, 독특한 광학 특성을 지니고 있다. 근적외선에 의해 들뜨게 되면 형광과 인광燐光의 두 가지 파장으로 에너지를 방출한다. 이는 유용하게 활용될 수 있을 것이다. 

▲ 화학자들이 나노금 클러스터가 어떻게 성장하는지 최초로 규명했으며, 이를 통해 새로운 금 양자 바늘(오른쪽)을 발견했다. © Takano et al./ Journal of the American Chemical Society, CC-by-nc-nd 4.0

금은 여러 면에서 매우 특별한 금속이다. 우주에서 가장 에너지가 높은 과정에서만 생성되며 매우 안정적이다. 전기적으로 대전되면 이 귀금속은 실온에서 녹을 수 있지만, 임계 "재앙 온도"를 훨씬 넘어 빠르게 가열되면 고체 상태를 유지한다. 금이 나노입자 크기로 줄어들면 진정한 만능 물질이 된다. 방사선을 흡수하고, 물을 증발시키고, 광촉매 역할을 하며, 이산화탄소를 유용한 화학물질로 전환할 수 있다.

나노금 초기 단계의 미스터리

최근 일본 화학자들이 새로운 금 구조를 발견했다. 특이한 광학적 특성을 가진 작은 핀 모양의 금 바늘이다. 도쿄대학교의 타카노 신지로와 그의 동료들은 실험에서 나노금 클러스터의 성장을 규명하고자 했다. "최근 몇 년 동안 이러한 금 클러스터의 구조와 물리화학적 특성 사이의 관계를 이해하기 위한 집중적인 노력이 있었지만, 그 형성 과정은 지금까지 블랙박스로 남아 있었다."라고 선임 저자인 츠쿠다 타츠야는 설명했다.

▲ Scheme 1. X선 결정학을 통해 밝혀진 소형 Au 클러스터의 핵심 성장 패턴 (출처:September 4, 2025 / X-ray Crystallographic Visualization of a Nucleation and Anisotropic Growth in Thiolate-Protected Gold Clusters: Toward Targeted Synthesis of Gold Quantum Needle / Journal of the American Chemical Society)

일반적으로 나노금은 금 이온 용액에 유기 첨가제를 첨가하여 "성장"시킨다. 이렇게 하면 분자 결합의 일종의 틀에 의해 외부에서 안정화되는 작고 성장하는 금 클러스터가 생성된다. 그러나 이러한 금 구조의 초기 단계의 정확한 본질은 아직 밝혀지지 않았다.

"따라서 우리는 성장 속도를 제어하고 배아 상태에서 작은 클러스터를 분리할 수 있는 새로운 방법을 개발했다."라고 화학자들은 설명했다. 이는 순한 환원제를 첨가하고 기존 방법보다 티올 함량을 낮춤으로써 달성되었다. 연구팀은 단결정 X선 회절을 사용하여 소수의 금 원자로만 구성된 느리게 성장하는 구조를 분석했다.

원자 삼각형과 사각형으로 만들어진 새로운 금 바늘

분석 결과, 금 클러스터는 금 원자가 먼저 결합해 삼각형이나 사면체를 형성한 후, 이 삼각형이나 사면체가 점점 더 긴 구조로 응집될 때 형성된다는 것이 밝혀졌다. 그러나 예상과 달리 이러한 성장은 모든 방향으로 고르게 일어나지 않아 구형 나노 덩어리가 형성되었다. 타카노와 그의 동료들은 "대신 금 클러스터가 비등방성으로 성장해 새로운 금 바늘을 형성한다는 것을 발견했다."라고 보고했다.

놀랍게도, 화학자들은 이전에 알려지지 않은 형태의 나노금을 발견했다. 츠쿠다는 "이것은 이전에는 상상도 할 수 없었던 행운의 발견이었다."라고 말했다. 면밀한 분석 결과, 이 "금 양자 바늘"은 금 사면체의 핀 모양 기본 단위와 여러 개의 연결된 금 원자 삼각형으로 구성되어 있음이 밝혀졌다. 금 바늘이 성장함에 따라 이러한 기본 단위가 바늘 끝에 더 많이 축적된다.

▲ (a) 1의 X선 구조. (b) Au15S13 골격 구조 및 (c) 1의 배위 구조. 명확성을 위해 무질서한 부분과 수소 원자는 생략했습니다. 색상 코드: 노란색: Au; 빨간색: S; 회색 막대: C; 베이지색: Si. 패널 (c)에서 Au2S3와 Au7S7 올리고머는 각각 녹색과 검은색 막대로 표시되어 있다. (출처:September 4, 2025 / X-ray Crystallographic Visualization of a Nucleation and Anisotropic Growth in Thiolate-Protected Gold Clusters: Toward Targeted Synthesis of Gold Quantum Needle / Journal of the American Chemical Society)

 

이 바늘의 특별한 점은 새롭게 발견된 금 양자 바늘의 두께가 약 1.8nm에 불과하다는 것이다. 화학자들은 바늘의 지름이 삼각형 구조를 이루는 금 원자 세 개의 지름과 같다고 보고했다. 이로 인해 이 바늘은 이전에 알려진 금 나노와이어나 초박형 나노로드보다 훨씬 얇다.

형광과 인광의 이중 발광

이로 인해 새롭게 발견된 금 구조는 특별한 전자적 및 광학적 특성을 가지며, 이는 실험 결과 밝혀졌다. 금 양자선에 근적외선을 조사하면 여기되어 두 개의 뚜렷하게 정의된 근적외선 파장의 빛으로 에너지를 방출한다. 33개의 금 원자로 구성된 양자선의 경우, 이러한 피크는 840nm와 1000nm에 존재했고, 34개의 금 원자로 구성된 양자선의 경우 830nm와 970nm에 존재했다.

특이한 점은 금 양자선의 이 두 방출 피크가 동일한 광전 메커니즘에 의해 생성되지 않는다는 것이다. 파장이 짧은 피크는 형광에 기반하며, 에너지 공급이 제거되면 즉시 사라지는 여기 현상에 기인한다. 그러나 인광에 기반해 긴 잔광을 생성하는 파장이 긴 피크는 훨씬 더 강하다. 

▲ (a) 3의 X선 구조. (b) Au22S18 골격 구조 및 (c) 3의 배위 구조. 명확성을 위해 용매 분자(DCM)와 수소 원자는 생략했다. 그림 2의 색상 코드는 동일하지만, Au5S6 올리고머는 주황색 막대로 표시되어 있다. (출처:September 4, 2025 / X-ray Crystallographic Visualization of a Nucleation and Anisotropic Growth in Thiolate-Protected Gold Clusters: Toward Targeted Synthesis of Gold Quantum Needle / Journal of the American Chemical Society)

다양한 응용 분야에 흥미로운 연구

타카노와 그의 동료들은 "이 금 양자 바늘은 독특한 광학적 특성을 보인다."라고 밝혔다. "근적외선 영역에서의 특수한 반응 덕분에 이 바늘은 예를 들어 태양광에서 에너지를 얻는 데 사용될 수 있을 뿐만 아니라 생체 의학 영상에도 활용될 수 있다." 연구진은 이러한 응용 분야를 발전시키기 위해 새롭게 발견된 금 양자 바늘의 특성을 더욱 연구할 계획이다.

참고: Journal of the American Chemical Society, 2025; doi: 10.1021/jacs.5c11089
출처: Journal of the American Chemical Society, The University of Tokyo

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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