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엄격한비단벌레5
나노입자는 작을수록 성질도 달라지나요?
같은 물질도 나노 크기로 만들면 반응성이나 색이 달라질 수 있다고 하던데요. 재료의 성분은 그대로인데 크기만으로 성질이 바뀐다는 게 신기합니다. 입자가 작아질 때 표면과 내부의 비중이 달라지는 것은 물질의 특성에 어떤 영향을 주게 되는 건가요??
4개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.
동일한 물질이라도 나노 크기로 작아지면 성질이 변하는 근본적인 이유는 전체 부피 대비 표면적의 비율이 기하급수적으로 증가하기 때문입니다. 거시적인 크기에서는 내부 원자가 압도적으로 많아 물질 고유의 성질이 유지되지만, 나노미터 수준으로 작아지면 전체 원자의 상당 부분이 표면에 노출됩니다. 표면의 원자들은 내부 원자와 달리 주위 원자와의 결합이 부족해 불안정하고 에너지가 높기 때문에 화학 반응에 참여할 수 있는 활성도가 비약적으로 높아지고 녹는점 등의 물리적 성질도 달라지게 됩니다. 또한 전자의 움직임이 제한되는 양자 역학적 효과까지 더해지면서 금속 고유의 색상이 변하거나 빛을 다루는 광학적 특성이 완전히 바뀌게 됩니다. 결국 성분은 같더라도 내부의 법칙보다 표면의 법칙이 지배하는 세상이 되기 때문에 거시 세계에서는 볼 수 없던 전혀 새로운 촉매 활성이나 색상 같은 독특한 나노 성질들이 발현되는 것입니다
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채택된 답변안녕하세요.
같은 물질이라도 입자가 작아지면 전체 부피에서 표면이 차지하는 비율이 커져서 반응성이 달라질 수 있어요.
특히 표면 원자들은 내부 원자보다 주변 환경의 영향을 많이 받기 때문에 촉매 성능이나 용해 속도에도 차이가 생기죠. 금 나노입자 보면 붉은색이나 보라색 등으로 다르게 보이는 이유가 여기에 있죠.
성분은 같아도 크기에 따라 빛과 상호작용하는 방식까지 달라져요.
감사합니다.
안녕하세요. 박재화 박사입니다.
같은 물질이라도 입자가 나노 크기로 작아져버리면 성질이 달라질 수 있습니다.
입자가 작아질수록 전체적으로 원자 중 표면에 있는 원자의 비율이 크게 늘어나게 됩니다. 따라서 다른 물질과 반응하기 쉬워지는 환경이 만들어지게 됩니다. 그래서 촉매 반응성이 높아지거나 녹는점이 달라지고, 빛과 상호작용하는 방식이 변해 색이 달라지는 경우들도 있습니다.
아주 작은 크기에서는 전자의 움직임도 제한되어 큰 덩어리일 때와 다른 전기적, 광학적 성질이 나타날 수도 있습니다.
나노입자의 특징은 성분이 바뀐다기 보다는 표면 효과와 작은 크기에서 나타나는 전자 거동이 커지기 때문에 생긴다고 보시면 되겠습니다.
안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
입자 안쪽의 원자는 사방이 이웃 원자와 결합해 안정한데, 표면 원자는 한쪽이 비어 있어서 결합이 덜 채워진 채 에너지가 높은 상태로 있어요. 큰 덩어리에서는 표면 원자 비율이 무시할 만큼 작지만, 지름 2~3나노미터 입자는 원자의 절반가량이 표면에 나와 있어요. 이렇게 되면 물질 전체의 성질을 표면 원자가 좌우하게 돼요.
그래서 반응성이 크게 올라가요. 금은 덩어리일 때 거의 반응하지 않지만, 수 나노미터로 작게 만들면 일산화탄소를 산화시키는 촉매로 쓰일 만큼 활발해져요. 표면 원자는 붙잡는 이웃이 적어 쉽게 흔들리니, 녹는점도 덩어리보다 수백 도 낮아지기도 해요.
색 변화에는 다른 효과도 더해져요. 금 나노입자는 표면의 전자들이 특정 파장의 빛과 함께 출렁이면서 초록빛을 흡수해 붉은색으로 나타나고, 반도체 입자인 양자점은 전자가 움직일 공간이 좁아질수록 에너지 간격이 벌어져 작은 입자일수록 파란 쪽 빛을 내요 :)