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- 중개자로서의 바이페닐티올(Byphenylthiol)
- 에너지 교환은 금 동굴 내에서 이루어져, 특수 라만 레이저 추가
- 약 7.3㎛ 범위에서 가시 스펙트럼에 가까운 약 785㎛ 범위로 적외선 파장을 줄이는 데 성공
- 천문 탐지기, 특정 유형의 암 조기 발견에 응용 가능

나노기술로 적외선을 가시화한다.
과학자들은 금 나노 동굴(hole)을 사용해 적외선을 가시광선으로 변환시킨다.

나노 스케일의 열화상 카메라:
연구원들은 적외선을 가시광선으로 직접 변환하는 두 가지 방법을 개발했다.
이것은 분자 도우미와 작은 나노 안테나 또는 나노 트렌치로 가능하다. 변환기는 크기가 몇 마이크로미터에 불과하며 과학자들이 전문 저널 "Science"에 보고한 바와 같이 결합해 고해상도 카메라 칩을 형성할 수 있다. 

▲ 이러한 금 원판과 그 위에 있는 나노 입자의 도움으로 적외선을 가시광선으로 변환할 수 있었다. © Ermanno Miele, Jeremy Baumberg / NanoPhotonics Cambridge

우리가 볼 수 있는 빛은 400~750㎛(나노미터)의 파장 범위에 있다.
이 파장 범위 위아래 모든 것은 우리 눈에 보이지 않다. 예를 들어 동물이나 사람이 열복사로 방출하지만 천체나 식물에서도 방출하는 장파장 적외선에도 적용된다. 중적외선 범위에는 3~50마이크로미터의 파장이 포함된다.

적외선을 가시적으로 만드는 방법에는 여러 가지가 있다.
오늘날 열화상 카메라와 함께 널리 사용되는 절차에서 적외선은 대부분 강력하게 냉각되는 특수 센서에 의해 전기 신호로 변환된다. 그런 다음 화면에 차례로 표시될 수 있다. 또는 적외선을 가시광선으로 직접 변환할 수도 있지만 에너지를 공급해야 한다.

중개자로서의 바이페닐티올(Byphenylthiol)

캠브리지 대학의 Angelos Xomalis가 이끄는 팀은 적외선을 보다 짧은 파장의 가시광선으로 직접 변환하는 방법을 제시했다. 이를 위해 그들은 적외선 신호를 증폭 레이저 빔과 결합할 수 있는 특별한 중개자를 사용했다. 성공의 열쇠 중 하나는 올바른 중재자를 선택하는 것이다.

Xomalis 팀은 실험에서 황 함유 바이페닐티올로 작업했다. 이 물질의 특이성은 분자가 라만과 적외선 모두에서 활성이라는 것이다. 이것은 가시광선의 광자와 충돌하는 경우 소위 라만 산란을 통해 에너지를 교환할 수 있지만 다른 한편으로는 적외선을 흡수하거나 방출할 수도 있음을 의미한다.

황금 새장에 갇힌

과학자들에 따르면, 가장 큰 도전 중 하나는 적외선 복사를 바이페닐티올 분자에 충분히 가까이 가져가 에너지 교환을 강제하는 것이었다. "이렇게 하려고 우리는 빛과 분자를 금으로 둘러싸인 작은 틈에 아주 단단히 가둬야 했다"고 Xomalis는 설명했다. 이 작은 공동은 직경이 약 6㎛(마이크로미터)인 금판과 그 위에 100배 더 작은 금 나노입자 사이에 위치했다.

빛을 그 사이의 공간으로 안내하기 위해 과학자들은 광학 안테나 역할을 하는 금 메타구조도 사용했다. 그러나 Xomalis와 그의 팀에 따르면 이들은 질화규소로도 만들 수 있어 생산 비용과 노력을 줄일 수 있다.

▲ 이것은 Chen 연구팀이 만든 금 나노 입자가 위치하는 금 홈의 대략적인 모습이다. © Nicolas Antille

레이저 빔을 통한 에너지 부스트

에너지 교환은 금 동굴 내에서 이루어졌다. 바이페닐티올 분자는 적외선을 흡수하고 에너지를 진동으로 변환한다. 그런 다음 외부 에너지원으로 사용되는 특수 라만 레이저가 추가되었다. 레이저 빔은 분자가 거의 가시광선을 방출할 정도로 진동을 증폭했다.

레이저의 도움으로 에너지를 증폭함으로써 팀은 궁극적으로 약 7.3㎛ 범위에서 가시 스펙트럼에 가까운 약 785㎛ 범위로 적외선 파장을 줄이는 데 성공했다. 예를 들어 이러한 방식으로 수정된 파동은 이미 휴대폰 카메라로 캡처되어 추가 처리될 수 있다. 우리의 눈과 달리 이미지 센서는 마이크로미터 미만의 파장까지 적외선을 감지할 수 있기 때문이다.

천문학 및 의학에서의 사용

팀은 예로써 천문 탐지기와 같은 미래의 기술을 보고 있다.
탐지 망원경은 일반적으로 약 60㎛의 매우 큰 파장 범위에서 작동한다. 과학자들은 또한 의료 응용 프로그램도 구상할 수 있다. 적외선 증폭기는 인간 호르몬을 감지하는 데 도움이 되거나 특정 유형의 암을 조기에 감지하는 데 사용될 수 있다.

그러나 그 전에 기술이 훨씬 더 효율적이어야 한다. 과학자들은 특히 바이페닐티올 분자로의 에너지 전달과 관련하여 개선의 여지가 있다고 본다. “단원자 피코 공동을 사용하면 감도를 더욱 높일 수 있다. 개별 금 adatoms 주위에 빛의 증가된 국지화로 인해, 이것은 100배 더 큰 신호를 제공한다고 연구원들은 말했다.

같은 연구, 다른 접근

연구 주제에 대한 또 다른 관점은 로잔에 있는 스위스 연방 공과 대학(EPFL)의 Wen Chen이 이끄는 연구팀의 병렬이지만 독립적으로 출판된 연구에 의해 제공된다. 여기에서도 바이페닐티올로 채워진 작은 구멍이 사용되었다. 그러나 이들은 Xomalis '팀이 수행한 것처럼 금 나노 입자와 혈소판 사이에 생성되지 않았다.

대신 Chen 주변의 과학자들은 금박에 거의 100나노미터 너비의 홈을 그린 다음 적절한 나노입자를 배치했다. 이러한 방식으로 그들은 각 금 나노 입자에 대해 바이페닐티올로 채워진 두 개의 공동을 만들 수 있었다. 여기에 적외선을 유도하기 위해 연구팀은 홈 아래에 위치한 실리콘층을 사용했다. 그들은 라만 레이저의 도움으로 장파장 적외선을 680㎛나노미터 미만의 파장, 즉 가시 스펙트럼으로 변환하는 데 성공했다.

EPFL 연구원들은 또한 그들의 기술이 널리 사용되기를 희망한다.
EPFL 팀 리더인 크리스토프 갈랜드(Christo Galland)는 “이 장치는 매력적인 기능의 전체 범위를 가지고 있다. “휴대폰 카메라에서 볼 수 있는 것과 같은 표준 검출기로 고해상도 적외선 분광기를 사용할 수 있다. 또한 각 구성 요소의 크기가 몇 마이크로미터에 불과하므로 큰 픽셀 배열에 통합할 수 있다.”
(Science, 2021; Xomalis et al: doi: 10.1126 / science.abk2593; Chen et al: doi: 10.1126) / science.abk3106 )
출처:
University of Cambridge, Eidgenössische Technische Hochschule Lausanne
케임브리지 대학교, 스위스 연방 공과 대학, 로잔

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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