인류 공헌 노벨 화학상-양자점

“매년 인류를 위해 가장 공헌한 사람에게 노벨상을 수여할 것”(알프레드 노벨)

인류공헌 노벨상 2023 화학상

 

 

*생리의학상

*화학상

모운지 바웬디(미국 MIT 교수), 루이스 브루스(미국 컬럼비아대 명예교수), 알렉세이 에키모프(전 나노크리스틸테크롤로지 선임연구원) <양자점의 발견과 합성에 대한 공로>

*물리학상

*문학상

*경제학상

 

인류 공헌 노벨상 2023년 화학상

<양자점의 발견과 합성에 대한 공로>

물질을 축소하면 물리적 크기만 변할까요? 순금 덩어리를 반으로 쪼개기를 반복하여 수 나노미터 크기로 만든다고 상상해 보면, 여전히 황금빛을 띠고 고유한 물리적 성질을 유지할 수 있을까요?

 

스웨덴 왕립과학원 노벨위원회는 매사추세츠 공과대학 화학과 교수인 모운지 바웬디, 컬럼비아 대학교 명예 화학과 교수인 루이스 브루스, 전 나노결정 기술 수석 연구원인 알렉세이 아키모프에게 “양자점의 발견과 합성에 대한 공로”로 노벨 화학상을 수여했습니다.

 

수상자들은 재료, 특히 반도체에 집중하여 반도체 나노 입자의 입자 크기에 따라 색이 변하는 양자 효과를 예측하고 실험적으로 입증했습니다. 입자 크기에 따라 색이 변하는 이 작은 반도체 결정을 퀀텀닷(QD, Quantum Dot)이라고 합니다.

한국어는 양자점(量子點)이라 하고, 퀀텀(Quantum)은 물리학에서 에너지·전하·각운동량을 비롯한 물리적 성질을 나타내는 불연속적인 최소단위의 물리량을 뜻하는 양자(量子)를 의미합니다.

 

양자점을 세상에 처음 소개한 사람은 아키모프입니다. 1981년 러시아 바빌로프 국립 광학 연구소에서 구리와 염소를 비정질(원자나 분자가 불규칙하게 배열된 고체) 유리에서 반응시켜 수 나노미터 크기의 염화구리 입자를 합성했습니다. 그는 염화구리 나노입자가 포함된 비정질 유리가 입자의 크기에 따라 다른 색을 띠는 것을 발견했습니다. 이것이 양자점에 대한 최초의 관찰이었습니다.

 

1982년, 다른 화학 물질에서 양자점을 합성했다는 소식이 전해졌습니다. 미국 벨 연구소의 브루스 명예 교수는 수용액에서 카드뮴 이온과 황화 이온을 반응시켜 반경이 20 나노미터이고 녹색 형광을 내는 황화카드뮴 화합물의 반도체 나노 입자를 합성하는 데 성공했습니다.

 

양자점의 실용화를 위해서는 균일한 크기의 양자점을 합성하는 것이 가장 큰 난제였습니다. 이 문제를 해결한 것은 바로 바웬디 교수입니다. 벨 연구소의 브루스 박사의 연구원이었던 그는 MIT 화학과에 합류한 후에도 양자점 연구를 계속했습니다. 결정성이 좋고 크기가 균일한 양자점을 합성하는 방법을 고민하던 바웬디 박사는 1993년 고온 주입에 의한 열분해 반응을 고안했습니다. 이는 기존의 양자점 합성 방법을 획기적으로 개선한 새로운 합성법이었습니다.

 

고온 주입법은 계면활성제 용액을 300℃ 이상의 고온으로 가열한 후 분해하기 쉬운 유기금속 전구체와 음이온 전구체를 혼합한 용액을 빠르게 주입하는 방식입니다. 전구체는 최종 물질을 만들기 위해 화학반응에 참여하는 물질을 말합니다.

고온 주입법은 2001년 서울대 화학생물공학부 현택환 교수가 개발한 승온법과 함께 가장 대표적인 양자점 합성법 중 하나입니다.

 

바웬디 박사의 연구는 결정성이 우수하고 크기가 균일한 나노 입자를 합성할 수 있게 함으로써 양자점 합성의 새로운 시대를 열었습니다.

 

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