어떤 용액에 녹이느냐에 따라 모양이 바뀌고, 뿜어내는 색깔도 달라지는 탄소나노물질이 개발됐다. 탄소나노물질의 특성을 용매로 조절한다는 점에서 주목받고 있다.
자연과학부 화학과의 김병수-권오훈 교수 공동 연구팀은 그래핀에 탄소나노링이 도입된 ‘하이브리드 탄소 구조체’를 개발했다. 이 구조체는 용매의 특성에 따라 2차원 판상이나 3차원 구(球) 모양으로 변한다. 이 모양에 따라 형광 특성도 달라진다는 게 큰 특징이다.
물질이 빛 자극을 받아 특정한 색을 내뿜는 현상을 형광이라고 한다. 그래핀 같은 기존의 탄소나노물질은 빛을 받으면 파란색 계열의 형광을 보인다. 하지만 파란색 형광은 세기가 약해 센서나 광전자 소자 등으로 활용하기 어렵다. 이번 연구에서 개발한 하이브리드 탄소 구조체는 용매에 따라 파란색부터 주황색까지 형광을 조절할 수 있어 탄소나노물질의 응용 분야를 넓힐 것이라고 전망된다.
서로 다른 용매에 녹아 있는 하이브리드 탄소 나노 구조체의 모습. 여기에 가시광선이나 자외선을 비추면 서로 다른 형광빛을 나타내게 된다. | 사진: 김경채
새로 개발한 하이브리드 탄소 구조체는 탄소나노링이 그래핀 표면 위에 붙어 있다. 탄소나노링은 시트르산을 가열시켜 탄화시키면 만들어지는 물질이다. 연구진은 시트르산과 그래핀을 동시에 가열시켜 탄소가 풍부한 물질로 만드는 탄화 반응으로 하이브리드 탄소 구조체를 만들었다.
이번 연구에 제1저자로 참여한 최유리 자연과학부 박사 후 연구원은 “새로 개발한 하이브리드 탄소 구조체에 있는 탄소나노링이 용매 성질에 따라 화학반응이 다르게 나타난다”며 “용매에 넣었을 때 수소결합을 이뤄지는지에 따라 형상과 광특성이 달라진다”고 설명했다.
탄소나노링은 다른 물질과 결합할 수 있는 분자(기능기)를 가지고 있다. 이들은 양성자성 용매(protic solvent)에서는 양성자(H+)를 만나 쉽게 수소결합을 이룰 수 있다. 이 경우 하이브리드 탄소 구조체는 안정화된 평면(2D) 형태가 된다. 하지만 양성자를 제공받을 수 없는 비양성자성 용매(aprotic solvent)에서는 탄소나노링에 있는 기능기들끼리 수소결합이 일어나면서 안정화된다. 이 경우 하이브리드 탄소 구조체의 모양은 공 모양의 입체(3D) 구조가 된다.
용매에 따라 다양한 형광을 보이는 하이브리드 탄소 구조체
김병수 교수는 “용매에 따라서 탄소나노물질의 형상이 변하는 것을 명확히 보여준 최초의 연구”라고 평가하며 “이번 연구를 통해 시너지 효과를 보인 하이브리드 신소재의 특성을 향상시키고 응용 분야를 확대할 것”이라고 말했다.
권오훈 교수팀은 시간분해 분광법을 통해 이 물질의 구조가 변하면서 형광이 조절되는 원리를 분석했다. 우선 양성자성 용매에서는 하이브리드 탄소 구조체와 용매 사이에서 수소결합으로 인한 에너지 손실이 일어나 주황색의 형광을 보였다. 이와 달리 비양성자성 용매에서는 에너지 손실이 적기 때문에 초록색 형광을 나타냈다.
권오훈 교수는 “이번 연구에서 개발한 부드러운 신소재는 용매와 상호작용하면서 형태가 변하고 이에 따른 에너지 전달 매커니즘이 변하면서 발광 특성이 조절된다”며 “탄소나노물질의 광특성을 극대화하고 발광특성을 조절하는 새로운 가능성을 제시했다”라고 평가했다.
이번 연구는 미래창조과학부의 재원으로 한국연구재단의 ‘중견연구자지원사업’, ‘신진연구자이원사업’ 및 ‘기초과학연구원 첨단연성물질연구단’의 지원을 받아 진행됐다. 연구 성과는 재료 분야 세계적인 권위지인 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’ 4월 18일자로 게재됐다.
하이브리드 탄소 나노 구조체를 용매에 녹인 모습(아래)과 여기에 자외선을 비춰서 형광을 나타내는 모습(위)_양자성 용매에 녹이면 파란색 형광이 비양자성 용매에 녹이면 초록색 형광이 나타난다. | 사진: 김경채
