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1848년에 베크렐이 촬영한 컬러 사진은 안료 나 구조적 색상을 기반으로 하지 않는다.
퍼즐에 대한 해결책은 은나노 입자의 크기.
"그들의 방향과 모양은 모든 색 영역에서 동일 하다. 하지만 크기 분포는 다르다."

베크렐의 첫 번째 컬러 이미지 수수께끼를 풀었다.
1848년에 만들어진 컬러 사진은 안료 나 구조적 색상을 기반으로 하지 않는다.

신비한 색상 :

세계 최초의 컬러 사진은 1848년 프랑스 물리학자 에드몽 베크렐(Alexandre Edmond Becquerel)이 1848년에 찍었다. 거의 100년 전에는 컬러 필름이 발명된 것은 거의 100년 전이다. 태양 스펙트럼의 사진이 그렇게 화려하게 만들어진 것은 지금까지도 미스터리로 남아 있었다. 연구원들이 이 “감광 변색 이미지”의 비밀을 밝혀냈다. 색상 뒤에는 안료 혹은 구조적 색상이 아니라 나노 입자가 발견된 것이다.

▲ 1848년 에드몽 베크렐(Edmond Becquerel)의 태양 스펙트럼 사진.이 그림의 색상이 어덯게 만들어졌는지 170년 동안 미스터리였다. © CNRS/ Musée Nicéphore Niépce

물체, 생명체 혹은 그림의 색상은 일반적으로 두 가지 방법 중 하나로 만들어진다.
첫 번째는 특정 파장의 빛만 흡수하는 분자인 안료와 관련이 있다. 물건을 화려하게 만드는 두 번째 방법은 질감이 있는 구조색상이다. 이들은 파장에 따라 빛을 다르게 굴절시키는 리브, 층 또는 스케일로 규칙적으로 배열된 나노 구조에 의해 생성된다.

베크렐의 태양 스펙트럼 수수께끼

그러나 170년 넘게 연구자들을 혼란스럽게 만든 채색된 그림이 있다.
에드몽 베크렐(Edmond Becquerel) 연구원이 1848년 햇빛의 스펙트럼을 포착한 사진이다. 이 사진은 컬러 필름이나 다른 채색 과정이 발명되기 오래전에 촬영됐지만 컬러 줄무늬를 이 사진에서 명확하게 볼 수 있다.

파리의 자연사 박물관(National History Museum)의 빅터 드 시우베(Victor de Seauve)와 동료들에 의하면 “이 최초의 컬러 사진은 19세기에 이 컬러의 기원에 대한 오랜 논쟁을 불러 일으켰다. 한쪽에는 안료 가설의 대표자들이 있었는데, 그는 사진 필름의 구리 착물과 다양한은 화합물이 색상을 제공한다고 가정했다. 다른 한편으로는 은층의 구조로 인한 간섭 효과를 의심한 과학자들이 있었다.

▲ Edmond_Becquerel_by_Nadar.jpg 태양전지 원리를 최초로 발견한 과학자로 많이 알려져 있다.

오래된 기술에 대한 새로운 시각

De Seauve와 그의 동료들은 최신 분석 기술을 사용해 베크렐(Becquerel)의 "감광 변색 이미지photochromatic image"의 색 뒤에 무엇이 있는지 실제로 조사했다.
문제는 원래의 몇 장의 사진만이 살아 남았으며 매우 희미졌다는 것이다.
그러나 얼마 전 연구원들은 베크렐Becquerel의 기록에서 역사적 사진 과정을 정확하게 재구성하고 그의 자료를 분석하는 데 성공했다.

이를 통해 De Seauve와 그의 팀은 Becquerel의 레시피를 기반으로 사진을 만들고 분석할 수 있었다. 먼저, 노출된 사진 재료를 다양한 X-선 분광법에 노출시켰다.
그 결과 "전체 감광층과 채색 영역의 모든 샘플은 동일한 화학적 조성을 가지고 있다"고 연구진은 밝혔다.
구리 화합물이나 안료로 작용하는 다른 분자는 검출되지 않았다. 이것은 안료 가설을 반증한다.

▲ De Seauve와 그의 팀이 알게된 은나노 구조 © de Seauve et al./ Angewandte Chemie Int. 에드 / doi : 10.1002 / anie.202001241

구조의 비밀은 무엇일까?

두 번째 단계에서 연구원들은 구조적 색상에 대한 단서를 찾았다.
이를 위해 전자 현미경을 이용하여 사진 층을 조사했다. 그는 사진 필름의 유색 영역과 나머지 영역이 은나노 입자로 구성되어 있으며, 은나노 입자는 상당히 큰 염화은 입자의 매트릭스에 내장되어 있음을 확인했다. De Seauve와 그의 동료들이 발견한 바와 같이, 나노 입자의 크기는 5- 150nm 사이다.

그러나 연구원들은 빛을 파장으로 분리하여 구조적 색을 생성할 수 있는 배열을 찾지 못했다. "입자들은 페인트층의 표면이나 내부에 주기적 구조를 형성하지 않았다"고 보고했다. 이것은 빛의 확산으로 이러한 색상을 만들 수 없었음을 증명한다.

크기 분포의 미묘한 차이

안료 나 구조적 색소가 아니라면 Becquerel의 사진에서 화려한 인상은 어디에서 왔을까?
De Seauve와 그의 팀이 발견한 것처럼 퍼즐에 대한 해결책은 은나노 입자의 크기에 분명히 숨겨져 있다. "그들의 방향과 모양은 모든 색 영역에서 동일 하다"고 그들은 보고했다. "하지만 그들의 크기 분포는 다르다."

연구진은 노란색 이미지 영역에서 크기가 5~25nm(나노미터) 사이인 특히 많은 수의 작은 나노 입자를 발견했지만 25~45나노미터 사이의 더 작은 나노입자는 더 적다는 것을 발견했다. 적색 영역에서, 크기가 30나노미터보다 큰 모든 은 입자는 완전히 사라졌으며 더 작은 것만이 여전히 존재했다. 대조적으로, 나노 입자의 밀도가 전반적으로 더 높은 곳에서는 사진 필름이 청색으로 나타났다. 이러한 분포는 빛을 다르게 흡수하기 때문에 나타나는 색상이다.

색을 만드는 *플라스몬

"이 결과를 통해 이러한 감광 변색에 대한 플라스몬 기원을 추정 할 수 있다"라고 Seauve와 그의 동료들은 설명한다. 따라서, 입사광은 에너지 함량에 따라 은 입자에서 특정 진동을 발생시켰다. 소위 플라스몬(plasmon)이라고 하는 이러한 진동은 일부 은 입자를 더 작은 단위로 분해시키고, 다른 입자는 서로 융합하여 더 큰 입자를 형성시켰다.
*플라스몬 [plasmon]
금속 내부의 전자들이 동시에 진동하는 물질을 말한다. 플라스몬이 금속 표면에 국부적으로 존재할 수 있는데 이를 표면 플라즈몬(surface plasmon)이라 부른다.

(Angewandte Chemie International Edition, 2020; doi : 10.1002 / anie.202001241)
출처 : CNRS

[더사이언스플러스=문광주]

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