친환경 금속 나노입자-고분자 나노캡슐 개발

[산업일보]
미래창조과학부(장관 최문기)와 국제과학비즈니스벨트 핵심 기관인 기초과학연구원(IBS, 원장 직무대행 신희섭)은 복잡계 자기조립 연구단(단장 김기문, POSTECH 교수) 연구팀이 쿠커비투[6]릴로 이루어진 고분자 나노캡슐 표면에 금속 나노입자를 균일하게 도입하는 기술 개발에 성공했다고 밝혔다.

금속 나노입자는 부피 대비 매우 넓은 표면적, 양자 구속 효과, 표면 플라즈몬 효과 등의 특징적 성질로 인해 촉매 및 이미징, 바이오센서, 나노의학 등 다양한 분야에서 많은 주목을 받고 있다.

금속 나노입자의 성질은 그 크기와 표면, 지지체에 의해 큰 영향을 받으며, 지지체에 도입된 금속 나노입자는 촉매 분야에서 매우 활발히 연구되고 있다. 그러나 지금까지 금속 나노입자는 고유의 우수성으로 공업, 약학, 농업(비료) 분야에서 다양하게 활용해 왔으나 톨루엔(toluene), 헥산(hexane)과 같은 유독성 액체를 용매로 사용하기 때문에 환경오염, 고비용, 중독 등을 유발하는 문제점을 안고 있었다. 물과 같은 환경 친화적인 용매에서 촉매활성을 가지는 안정한 금속 나노입자의 연구는 녹색화학 분야에서 환경적, 경제적, 안전적 이유로 인해서 아주 중요하게 고려되고 있다. 하지만 나노입자가 도입된 지지체를 이용한 물에서의 촉매 반응 연구는 아직까지 거의 이루어지지 않았다.

이번 연구는 유독성 용매가 아닌 물과 같은 환경 친화적인 용매에서 촉매활성을 가지면서 안정된 성질을 지니는 금속 나노입자-고분자 나노캡슐을 개발해 환경·안전·경제 문제를 단번에 해결할 수 있는 가능성을 제시했다는 점에서 의미를 지닌다. 부피 대비 넓은 표면적, 양자 구속 효과, 표면 플라즈몬 효과 등의 특성을 지닌다.

CB[6]는 강력하고 선택적으로 유기 및 무기 화학종을 인지하는 성질을 가지며, 금속 나노 입자를 뭉치지 않게 하는 안정화시키는 보호제(protecting agent)로 사용 가능하다. 최근 연구단에서는 CB[6]로 이루어진 구형의 속이 빈 CB-PN을 보고했으며, 그 표면은 CB[6] 분자와 다이설파이드 고리(disulfide loop)가 노출돼 있다. 또한, 다이설파이드는 금속 나노입자와 강력한 결합을 통해서 안정화시키는 보호제 역할을 한다. 이에 본 연구진은 CB-PN이 독특한 구조 및 성질로 가지기 때문에 균일한 크기를 가지는 금속나노입자를 합성하기 위한 지지체로 이용 가능할 것이라는 가설을 세웠다.

연구진은 CB-PN과 금속염을 이용해 균일한 크기의 금속 나노입자가 균질하게 표면에 도입된 고분자 나노캡슐(M@CB-PN)을 합성했고, 동적 광산란법(DLS) 및 주사전자현미경(SEM), 투과전자현미경(TEM), 적외선분광법(FT-IR), X선 광전자 분광법(XPS), 유도결합플라즈마 원자방출기(ICP-AES) 등을 이용해 M@CB-PN의 구조 및 생성원리를 밝혔다.

연구진은 M@CB-PN의 표면에 도입된 금속 나노입자의 크기를 CB[6]와 금속염의 비율에 따라 조절 가능하며, 균일한 크기를 가지는 다양한 종류의 금속 나노입자를 표면에 도입 가능함을 실험을 통해 검증했다.

또 M@CB-PN을 이용해, 수용액상에서 탄소-탄소 결합 및 탄소-질소 결합 형성 반응을 진행했고, M@CB-PN이 뛰어난 안정성과 분산성, 촉매 활성, 재사용성을 가짐을 확인했다.
다양한 종류의 금속 나노입자를 고분자 나노캡슐 표면에 도입할 수 있기 때문에 생체 이미징, 나노의학 분야에도 활용 가능하다.

이 연구 성과는 화학분야 권위 학술지인 안게반테 케미(Angewandte chemie, IF 13.734)誌 온라인에 게재됐다.

김기문 IBS 복잡계 자기조립 연구단장은 “이번 연구는 기존의 금속 나노입자-지지체가 보여주기 힘들었던 물에서 뛰어난 안정성과 분산성, 촉매 활성, 재사용성을 보임으로써 친환경 촉매 혹은 생체 이미징, 나노의학 분야에 새로운 응용 가능성을 제시했다는 점에서 의미가 크다”고 말했다.