UPV/EHU와 CSIC의 연구진은 조사(照射)되는 편광에 따라서 색깔이 변하는 새로운 형광 하이브리드 재료를 개발했다. 이 연구결과는 저널 ACS Photonics에 게재되었다.

유기 성분과 무기 성분을 가진 하이브리드 재료를 만드는 목적은 단일 시스템 속에 유기 및 무기 성분의 최고 특성들을 발현시키는 것이다. 전 세계의 연구소는 나노기술을 적용해서 새로운 하이브리드 물질을 개발하는 연구를 수행하고 있고, 이런 재료들은 자동차 및 스포츠 장비를 위한 경량재료, 보철과 같은 생체 모방 재료에 이미 사용되고 있다.

이번 연구진이 찾고 있는 하이브리드 재료는 수많은 요구조건을 충족할 필요가 있다. 호스트(host) 무기 재료는 게스트 유기 재료(염료) 속의 분자들이 정렬되도록 평행한 나노채널을 가진 결정질 구조를 가져야 한다. 호스트 무기 재료의 기공 크기는 염료에 적합한 1나노미터 이하이어야 한다. 마지막으로, 유사한 크기 및 형상을 가진 두 개의 염료가 필요하고, 그들은 빛에 의해서 자극될 때 서로 다르게 반응하는 상보적인 광학 특성을 가져야 한다.

해결해야 할 중요한 문제점은 무기 나노구조와 염료 분자 간의 완벽한 적합성을 달성하는 것이다. 이번 연구진은 녹색 형광을 가진 피로닌(pyronin), 청색 형광을 가진 아크리딘(acridine)과 같은 3개의 혼성 벤젠 고리 구조를 가진 염료를 수용하는데 호스트 재료로서 적절한 기공 크기를 가진 인산 알루미늄(aluminophosphate, AIPO-11)을 사용함으로써 이것을 해결할 수 있었다

염료는 나노채널을 따라서 스스로 정렬되고 그들의 형광 특성들을 향상시킨다. 이런 향상은 염료의 분자 유연성을 제한했기 때문에 달성될 수 있었다. 다시 말하면, 이것은 분리된 단위 속에 채널을 삽입하고, 그들이 추가될 때 형광을 상실하기 때문에 높은 발광성을 가진다.

이런 완벽한 적합성을 달성하기 위해서, 합성 절차가 매우 중요한 역할을 한다. 주로 광활성 하이브리드 재료의 경우에, 유기 부분은 확산에 의해서 가스상 또는 액체상으로부터 무기 부분으로 삽입되지만, 이런 방법으로는 이 연구가 필요한 수준을 달성하지 못한다. 그래서 이번 연구진은 무기 재료로 합성된 겔 속에 염료를 삽입하는 방법을 선택했다. 이것은 결정이 성장될 때 유기 발색단이 점차적으로 결합될 수 있도록 했다.

이번 연구진은 단일 염료인 피로닌을 삽입해서 매우 높은 발광 재료를 만들었다. 실제로, 공초점 형광 현미경(confocal fluorescence microscopy)을 사용함으로써, 이번 연구진은 채널을 따라서 염료 분자들이 정렬된 상태를 확인했다. 이런 정렬은 이전에 보고되지 않았다.

이번 연구진은 동일한 합성 프로세스를 이용해서 피로닌과 아크리딘을 결합시켰고, 편광에 따라서 색상이 계속 변하는 30 X 20 마이크론의 직사각형 결정을 얻었다. 편광이 채널을 따라서 일어난다면, 이것은 녹색처럼 보인다; 이것이 수직적으로 발생한다면, 청색처럼 보인다. 이런 반응은 에너지 전달이 염료 사이에서 일어난다는 것을 나타내었다.

색상의 변화는 높은 저항을 완전히 반전시킬 수 있고, 이것은 재현 가능한 매우 효율적인 프로세스이다. 그래서 이런 유형의 광활성 하이브리드 재료를 적용시킬 수 있는 분야는 매우 많다: 그들은 태양전지의 안테나, 포토닉스 케이블, 레이저 시스템에 적용될 수 있다. 실제로, 새로운 하이브리드 재료는 현재 적용되고 있는 액체보다 더 쉽게 사용할 수 있고 더 적은 오염을 발생하기 때문에 조율 가능한 고체-상태 레이저 개발과 생체 의학 분야에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다.

이번 연구진은 광활성 재료, 조율 가능한 레이저를 개발하기 위한 첨단 모델링, 태양전지를 위한 안테나 시스템, 광역학 암 치료, 형광 센서 등에 대한 폭넓은 경험을 가지고 있다. 이 연구결과는 저널 ACS Photonics에 “Highly Luminescent and Optically Switchable Hybrid Material by One-Pot Encapsulation of Dyes into MgAPO-11 Unidirectional Nanopores”라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1021/ph4000604).

그림. (왼쪽) 색상에 따른 특성 변화를 보여주는 CIE 시스템 또는 색도 다이어그램. (오른쪽 위) 채널을 따라 선형적인 편광을 보여주는 녹색 방출, (오른쪽 아래) 채널의 수직 방향으로 발생하는 청색 방출. 화살표는 사용된 빛의 편광 방향을 나타낸다.