나노 크기가 되면 재료의 성질이 왜 완전히 달라지나요?

Question

나노기술을 배우는데 같은 금이라도 나노 크기 입자가 되면 색깔이나 반응성이 벌크 상태와 완전히 달라진다고 들었어요. 왜 크기가 작아지는 것만으로 물질의 근본적인 성질까지 변하는 건지 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 박재화 박사입니다.

나노 크기가 된다고 재료가 완전히 다른 물질로 바뀌어 버리는 것은 아닙니다.

너무 작아진다면 전체 원자 중에서 표면에 노출된 원자의 비율이 크게 늘어나기 때문에 반응성이 달라질 수 있습니다. 큰 금 덩어리는 대부분의 원자가 안쪽에 있지만, 금 나노입자의 경우는 겉에 드러난 원자들이 많기 떄문에 주변 물질과 더 쉽게 영향을 주고 받게 됩니다.

그리고 아주 작은 입자들은 빛과 상호작용하는 방식이 달라질 수 있어서, 우리가 보는 색도 달라질 수 있습니다. 금 덩어리는 노란색이지만, 사이즈가 작아지면 붉은색이나 보라색을 띄기도 하거든요.

성분이 바뀐게 아니고 크기가 작아지면서 표면 효과와 빛에 대한 반응이 달라진 것입니다.

Answer 2

안녕하세요.

나노 크기로 작아지면 표면에 있는 원자의 비율이 크게 늘어나 반응성이 훨씬 높아져요. 쉽게 말해서 표면적이 넓어 지는 것이죠. 또 전자가 움직이는 방식이 벌크 상태와 달라지는 양자 효과가 나타나 색이나 전기적 성질도 변화하게 되요.

그리고 작아지면 기계적 강도나, 촉매 특성, 전기전도도 등 여러 특성들이 달라질 수 있어요. 같은 물질이라도 원자의 배열과 전자의 거동이 달라지기 때문에 새로운 특성을 가지게 되는 거죠.

이러한 이유로 나노기술들이 반도체, 배터리, 의약 등 다양한 첨단 산업에서 핵심 기술로 활용되고 있죠.

감사합니다.

Answer 3

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

크기가 작아지면 성질이 달라지는 핵심은 표면의 비중이 폭발적으로 커지기 때문이에요.

덩어리 상태에서는 원자 대부분이 안쪽에 갇혀있는데, 잘게 쪼갤수록 표면에 노출된 원자 비율이 급격하게 늘어나기 시작해요. 표면 원자는 결합할 짝이 부족해 불안정하고 반응성이 높거든요. 그래서 덩어리 일대는 반응하지 않던 금이 나노 크기가 되면 훌륭한 촉매로 변해요.

색이 달라지는 건 또 다른 이유인데, 입자가 빛의 파장과 비슷할 만큼 작아지면, 입자 속 전자들이 특정 색의 빛에 공명하며 흡수해요. 이 크기에 따라 흡수하는 색이 달라져서, 같은 금인데 붉게도 푸르게도 보이게 되는거에요 :)

Answer 4

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

나노 크기로 작아지면 물질 표면에 있는 원자의 비율이 크게 증가해 화학 반응성이 높아지고 전자의 움직임도 양자 효과의 영향을 받아 벌크 상태와 다른 특성을 나타냅니다 또 한 빛과 상호작용하는 방식이 달라져 금 나노입자는 일반적인 금색이 아니라 붉거나 보랏 빛을 띠기도 합니다 이처럼 표면 효과와 양자 효과가 함께 작용하면서 색 전기 자지적 성질 촉매 성능 등이 크게 변합니다 그래서 같은 물질이라도 나노 크기에서는 기존과 전혀 다른 성능을 갖는 새로운 소재처럼 활용될 수 있습니다