학문
나노소재는 크기가 작아지면 성질이 어떻게 달라지나요?
같은 물질이라도 입자 크기가 나노미터 수준으로 작아졌을 때 기존의 큰 덩어리와 다른 특성이 나타날 수 있습니다. 이러한 변화는 표면과 내부 구조의 차이와 어떤 관련성이 있는지 의견부탁드립니다.
3개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 박재화 박사입니다.
나노소재는 입자 크기가 매우 작아지면서 전체 원자 중 표면에 있는 원자의 비율이 크게 증가하게 됩니다. 비표면적이 넓어진다고 표현하죠. 그래서 같은 물질이라도 화학반응성, 촉매 성능, 녹는점 같은 성질이 큰 덩어리 상태와는 달라질 수 있습니다.
또한 크기가 아주 작아지면 전자의 움직임이 제한되면서 색, 전기전도성, 발광 특성 같은 전자적 성질도 변할 수 있습니다. 금 같은 것 보면 덩어리일 때는 노란색이지만, 크기가 아주 작아지면 붉거나 보라색으로 보이기도 합니다. 기계적 성질 또한 달라지는데 나노결정 구조에서는 강도가 높아지는 경우가 있지만 너무 작아지면 다른 변형 방식이 나타나기도 합니다.
결국 나노소재의 특징은 표면 원자의 비율이 증가함에 따라 아주 작은 크기에서 나타나는 전자 구조의 변화가 함께 만들어낸다라고 생각하시면 되겠습니다.
안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.
나노소재는 입자 크기가 극도로 줄어들면서 부피 대비 표면적의 비율인 표면 대 부피비가 급격히 증가해 전체 원자 중 표면에 위치하는 원자의 비중이 매우 높아집니다. 표면 원자들은 내부 원자보다 주변 원자와의 결합수가 적어 불안정하고 에너지 상태가 높기 때문에 화학적 반응성이 비약적으로 향상되고 반응 특성이 크게 변합니다 또한 크기가 수 나노미터 크기로 감소함에 따라 전자들의 움직임이 좁은 영역에 갇히는 양자 가둠 효과가 발생해 광학적 전기적 성질이 근본적으로 바뀌게 됩니다 결과적으로 표면 원자 비중의 급증과 전자 구조의 양자화라는 두 가지 요인이 결합하여 녹는점 하강 색상 변화 촉매 활성 증가 등 덩어리 상태와 전혀 다른 독특한 물리 화학적 특성을 만들어냅니다
안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
크기가 작아질 때 제일 먼저 바뀌는 건 표면에 있는 원자의 비율이에요. 큰 덩어리에서는 원자 대부분이 안쪽에 묻혀 있고 표면 원자는 극히 일부인데, 지름 몇 나노미터 입자가 되면 전체 원자의 절반 가까이가 표면에 있어요. 표면 원자는 이웃이 한쪽뿐이라 결합이 불완전하고 에너지가 높은 상태예요. 그래서 나노 입자는 같은 물질인데도 훨씬 활발하게 반응해요. 덩어리 금은 아무것과도 반응 안 하는 귀금속인데 나노 금은 촉매로 쓰이고, 금속 가루가 나노 크기로 가면 공기 중에서 저절로 불붙기도 해요. 녹는점도 내려가요. 표면 원자는 붙잡는 힘이 약해서 먼저 풀리기 시작하니, 나노 금은 덩어리 금보다 수백 도 낮은 온도에서 녹아요.
두 번째 변화는 내부 구조 쪽에서 오는데, 전자가 움직일 공간이 좁아지면서 생겨요. 전자는 파동 성질이 있어서 입자 크기가 전자 파장 수준까지 줄어들면 갇힌 상태가 돼요. 갇힌 전자는 정해진 에너지만 가질 수 있고 그 간격이 입자가 작을수록 벌어져요. 이걸 양자 구속이라고 하는데, 같은 반도체 물질이 크기에 따라 다른 색 빛을 내는 양자점이 대표적이에요. 큰 덩어리에서는 하나였던 성질이 나노에서는 크기라는 손잡이로 조절되는 거예요.
세 번째는 빛과 자기의 반응이에요. 금속 나노 입자는 표면 전자가 빛에 맞춰 집단으로 출렁이는 현상이 생겨서, 나노 금 용액은 금색이 아니라 붉은색으로 보여요. 중세 성당 스테인드글라스의 붉은빛이 이 원리예요. 자성체도 나노 크기가 되면 자석 방향이 열에 흔들려 자기장을 걸 때만 자석이 되는 성질로 바뀌고, 이게 MRI 조영제와 표적 약물 전달에 쓰여요.
정리하면 표면 효과는 반응성과 녹는점처럼 화학적, 열적 성질을 바꾸고, 크기 효과는 전기적, 광학적 성질을 바꿔요. 재료를 바꾸지 않고 크기만으로 새 물성을 얻을 수 있다는 게 나노소재 연구가 커진 이유고, 반대로 그 높은 반응성이 인체나 환경에 어떤 영향을 주는지가 함께 연구되는 이유예요 :)