나노입자(Nanoparticles)

나노입자(Nanoparticles)

 

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크기가 나노미터 영역의 입자들, 즉 나노입자들(nanoparticles)은 그 크기가 변함에 따라 bulk material의 물리적/화학적 성질이 현저하게 변한다. 특히, 기계적, 광학적, 전기적, 전기-광학적, 자기적, 그리고 자기-광학적 성질의 변화에 대해서 많은 관심이 집중되고 있다[1-4].

 

 

나노입자는 물리적 방법 및 화학적 방법 둘 다 사용하여 제조할 수 있다. 초창기에는 화학적 합성보다는 큰 입자의 분쇄 혹은 ball-milling, 결정 성장 그리고 이온 주입법(ion implantation)과 같은 물리적 공정을 사용하였다. 반면에, 화학적 접근 방법은 다양한 무기, 유기 그리고 전기화학적 합성법을 사용하여 bulk material과 구별되는 독특한 전자 구조를 가지는 나노입자를 구성할 수 있다는 이점이 있다. 또한 폴리머 및 콜로이드 화학의 기법을 응용하면 초기 나노입자의 크기 및 mono-dispersity를 조절하고, 이후 고체 상태로 존재하거나 수용성 및 비수용성 분산매 중에 있는 나노입자를 안정화시킬 수 있다[5,6].

( 참고: Top-down & Bottom-up https://ywpop.tistory.com/15478 )

 

 

입자가 작아질수록, 입자를 구성하는 전체 원자 중 표면에 존재하는 원자의 비율이 증가한다는 점은 꼭 기억해야할 중요한 변화이다. 2 nm 직경의 Au 입자를 예로 들면, 대략 60%의 원자가 표면에 자리를 잡고 있다.

 

 

금속성 나노입자는 큰 표면적/부피 비를 가지기 때문에 전하 이동이 효과적으로 일어나며, 전하 이동과 관련된 변화는 광학 흡수 스펙트럼으로 확인할 수 있다[7].

 

 

 

A photograph and representative spectrum of photoluminescence from colloidal CdSe quantum dots excited by UV light. [출처 http://en.wikipedia.org/wiki/Cadmium_selenide]

 

 

 

나노입자의 특성은 표면 상태의 물리 및 화학에 의해 강한 영향을 받는다. 그리고 그 표면 상태는 나노입자의 crystal morphology, 표면에 붙어있는 chemicals[8], 그리고 표면 주변을 감싸고 있는 매체[9]에 의해 영향을 받는다.

 

 

나노입자에 대한 연구는 성숙 단계에 도달해 있으며, 축적된 정보는 리뷰와 저서를 통해 문서화되어 있다[10]. 현재 연구 활동의 초점은 정전기적 상호작용 또는 공유결합을 이용하여 hetero-structured supramolecules, 2D-arrays, 또는 3D-networks와 나노입자를 연결시키는 것에 집중되고 있다. 나노입자를 고체 지지체에 증착 또는 전달시켜 두께, 패킹 밀도, 그리고 나노입자의 배향 등을 조절할 수 있는 나노구조의 필름을 제조할 수 있다. 한편, 나노입자는 더 복잡한 구조에 자기조립될 수 있다[11,12].

 

 

 

References

 

1. Alivisatos, A. P. Materials Research Society Bulletin 1995, XX, 23.

2. Henglein, A. Ber. Bunseng. Phys. Chem. 1995, 99, 903.

3. Hodes, G. Solar Energy Materials and Solar Cells 1994, 32, 323.

4. Weller, H. Angew. Chem. Int. Ed. Eng. 1993, 32, 41.

5. Evans, D. F.; Wennerstrom, H. The Colloid Domain. Where Physics, Chemistry and Technology Meet, VCH, New York 1994.

6. Ozin, G. A. Acc. Chem. Res. 1997, 30, 17.

7. Kamat, P. V. Progr. Reaction Kinetics 1994, 19, 277.

8. Marcus, M. A.; Flood, W.; Steigerwald, M.; Brus, L.; Bawendi, M. J. Phys. Chem. 1991, 95, 1572.

9. Dekany, I.; Turi, L.; Tombacz, E.; Fendler, J. H. Langmuir 1995, 11, 2285.

10. Alivisato, A. P. J. Phys. Chem. 1996, 100, 13266.

11. Ulman, A. Adv. Mater. 1993, 5, 55.

12. Liu, J.; Kim, A.; Wang, L. Q.; Palmer, B. J.; Chen, Y. L.; Bruinsma, P.; Bunker, B. C.; Exarhos, G. J.; Graff, G. L.; Rieke, P. C.; Fryxell, G. E.; Virden, J. W.; Tarasevich, B.; Chick, L. A. Adv. Colloid Interface Sci. 1996, 69, 131.

 

 

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[참고] 나노입자의 크기와 발광 빛의 파장 사이의 관계

 

원자 1개의 직경을 대략 0.5 nm라고 가정하면,

10 nm 크기의 나노입자는
대략 5개의 원자를 일렬로 나열한 크기가 될 것이고,
◯◯◯◯◯
20 nm 크기의 나노입자는
대략 10개의 원자를 일렬로 나열한 크기가 될 것이다.
◯◯◯◯◯◯◯◯◯◯

 

 

나노입자의 오비탈 구조도 이와 비슷하다고 생각하면 된다.

가령 3s 오비탈에 있는 전자가 외부 에너지를 흡수하여 3p로 들뜬다고 할 때,
원자 1개일 경우와 원자 4개, 원자 6개일 경우의 그림을 나타내면 아래와 같다.

 

 

 

 

( 수많은 금속 원자로 이루어진 금속은, 결국, 띠(band)를 형성한다. )

( 참고: 고체의 띠 이론 https://ywpop.tistory.com/3467 )

 

 

 

나노입자의 크기가 증가할수록, 즉 나노입자의 개수가 증가할수록,

3s ↔ 3p 오비탈의 간격은 줄어들기 때문에,
그만큼 들뜰 때 흡수하는 에너지도 감소할 것이다.
즉 작은 에너지를 흡수해도 들뜰 것이다.

 

 

따라서 나노입자의 크기가 증가하면,

흡수 에너지는 감소하고,
E = hν = hc / λ 관계식으로부터,
방출 파장은 증가한다.
( 즉, 보라색에서 빨강색으로 변한다. )

 

 

 

 

 

[ 출처 commons.wikimedia.org ]

만약 금속 콜로이드가 460 nm 파장의 빛을 흡수하면,

즉, 콜로이드의 UV/Vis 흡수 스펙트럼에서

최대 흡수 파장(최대 흡광 파장)이 460 nm이면,

그 콜로이드의 색깔은 orange일 것이다.

 

 

 

 

 

 

 

 

[키워드] band 기준문서, 띠구조 기준문서, 나노입자 기준문서, 나노입자의 크기와 색깔 기준문서, 나노입자의 색깔 기준문서, 나노입자 색깔 기준문서, 콜로이드의 색깔 기준문서, 나노입자의 색깔 기준문서, 보색 기준문서