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독일 마인츠 대학(Johannes Gutenberg University Mainz)과 미국 라이스 대학(Rice University)의 연구진은 빛에 의해서 구동되는 화학적 반응에 대한 새로운 연구결과를 발표했다. 나무, 풀 등의 식물은 광합성을 통해서 물과 이산화탄소를 산소와 포도당으로 매우 효율적으로 전환한다. 이러한 물리적 메커니즘을 확실하게 알고 이것을 다양한 용도에 활용할 수 있다면 인류에게 큰 이익을 줄 수 있다. 예를 들어, 햇빛 에너지는 자동차 연료로 사용되는 수소를 물에서 생성할 수 있다. 화학 반응에서 광합성과 같은 광으로 구동되는 프로세스를 이용하는 기술을 광촉매라고 한다. 과학자들은 일반적으로 금속 나노입자를 사용해서 빛을 포획하고 화학 공정에 활용한다. 광촉매 반응에서 나노입자를 빛에 노출시키면 플라즈몬이 형성된다. 이러한 플라즈몬은 물질 내의 자유 전자의 집단 진동을 나타낸다. 플라즈몬은 가시광선의 안테나 역할을 한다. 그러나 이러한 광촉매와 관련된 물리적 프로세스는 아직 상세하게 밝혀지지 않았다. 이번 연구진은 이것에 대한 새로운 연구결과를 발표했다. 이번 연구진은 조사(照射)된 플라즈몬이 빛을 얼마나 강하게 반사시키는지를 조사했다. 이것을 위해서 탄소 원자가 케이지(cage) 구조로 배열된 두 개의 티올 이성질체(thiol isomer)를 사용했다. 케이지 속에는 두 개의 붕소 원자가 존재한다. 두 개의 이성질체 속에서 붕소 원자들의 위치를 변화시킴으로써 쌍극자 모멘트(charge separation)를 변화시킬 수 있었다. 쌍극자 모멘트는 케이지의 공간적 전하 분리를 나타낸다. 이것은 흥미로운 발견이다. 금속 나노입자 표면에 두 종류의 케이지를 적용하고 빛을 사용해서 플라즈몬을 여기시키면, 플라즈몬은 어떤 케이지로 구성되었는지에 따라서 서로 다른 양의 빛을 반사시킨다. 다시 말하면, 금 나노입자 표면 위에 위치한 분자들의 화학적 특성이 플라즈몬의 국부적인 공명에 영향을 끼친다. 이것은 분자들이 금 나노입자의 전기적 구조를 변화시키기 때문에 발생한다. 이 연구결과는 저널 Science Advances에 “Plasmon damping depends on the chemical nature of the nanoparticle interface” 라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1126/sciadv.aav0704). |
