KAIST, 광대역 광학 활성 갖는 카이랄 세라믹 물질 개발

바이오센서, 적외선 신경 자극, 나노온열치료 등 응용 기대

(대전=뉴스1) 심영석 기자 = KAIST 신소재공학과 염지현 교수 연구팀이 새로운 패러다임의 나노 소재 개발의 토대를 마련했다.

넓은 범위의 광학적 활성을 갖는 카이랄 세라믹 물질을 최초로 개발한 이번 연구성과는 바이오센서, 적외선 신경 자극, 나노 온열치료 등 다양한 분야에 응용이 기대된다.

30일 KAIST에 따르면 카이랄 나노물질은 입사하는 원형 편광의 오른쪽 또는 왼쪽 방향성에 따라 다른 광학적 성질을 보이는 광학 활성도(chioptical activity)의 특징을 가지고 있다.

하지만, 기존에 보고된 대부분의 카이랄 나노물질은 자외선 및 가시광선 영역에서만 제한적으로 광학 활성을 갖고 있어 바이오 및 통신 등을 포함한 다양한 분야에서의 응용에 한계가 있었다.

이에 연구팀은 자외선에서부터 근적외선 영역을 넘어 단적외선 영역에서까지 광범위한 광학 활성을 갖는 카이랄 소재를 최초로 개발했다.

연구팀은 황화구리(copper sulfide) 세라믹 물질에 원자 수준에서부터 마이크로 수준에까지 체계적으로 카이랄 특성을 부여하는 기술을 선보였다.

이와 동시에 황화구리 나노입자의 화학적 상태를 긴 파장의 빛을 효과적으로 흡수할 수 있는 상으로 변화되도록 유도해 적외선 영역 광학 활성 효율을 극대화했다.

연구팀은 먼저 아미노산이 가지고 있는 원자 수준 카이랄 특성을 무기 나노입자에 전이시켜 나노 수준 카이랄 특성을 구현했다.

이어 나노입자 사이의 인력 및 척력을 조절해 1~2㎛ 길이의 카이랄 나노꽃이 자가조립으로 만들어지도록 유도했다.

연구팀은 이렇게 디자인된 나노꽃이 자외선에서부터 수 ㎛의 파장을 갖는 적외선에서까지 빛의 원형 편광 방향 따라 특이적으로 상호작용하는 것을 확인했다.

이같은 광대역 광학 활성은 연구팀이 유도한 대로 적외선을 흡수할 수 있는 황화구리 상으로 화학적 변화가 잘 변이됐기 때문이다.

또, 연구팀은 나노꽃의 구조적 카이랄 특성이 원형 편광의 방향성에 따른 비대칭적 상호작용을 유도하기 때문인 것을 컴퓨팅 시뮬레이션으로도 규명했다.

제1 저자로 이 연구에 참여한 박기현 석사과정은 “세계 최초로 단적외선 영역에서도 광학 활성을 갖는 소재를 개발함으로써 카이랄 나노소재의 응용과 발전을 위한 토대를 마련했다”라고 연구 의미를 설명했다.

한편, 이번 연구성과는 미국화학회가 발행하는 국제 학술지 ‘ACS 나노’에 게재됐다.

km5030@news1.kr

사회