귀금속은 수세기 동안 인류 역사에서 필수적인 역할을 해왔습니다. 그러나 최근 나노기술 및 재료과학의 발전과 결합되면서 학계와 산업계 모두에서 새로운 연구 기회가 열렸고, 의료 분야를 포함한 다양한 첨단 응용이 등장했습니다. 특히 백금, 금, 은 나노입자는 항균·항바이러스제, 진단, 약물 전달체, 이미징 프로브 등 생물의학 분야에서 광범위하게 활용되며 가장 주목받고 있습니다. 이들은 부식과 산화 같은 극한 조건에 대한 뛰어난 내성을 지닌 점이 큰 장점입니다.
지난 20년간 물리화학적, 광학적, 열적 특성과 생화학적 기능을 정밀하게 조절할 수 있는 비용 효율적이고 견고한 귀금속 나노입자 합성 전략이 눈부시게 발전했습니다. 그 결과 폴리머, 그래핀, 탄소 나노튜브, 양자점, 코어-쉘 시스템과 결합한 하이브리드 귀금속 나노입자가 개발되어 진단 및 치료 응용에서 탁월한 성능을 보여주고 있습니다. 본 리뷰에서는 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt) 나노입자의 합성 분야에서 현재까지 이루어진 진전을 종합적으로 정리하고자 합니다.
귀금속은 고대 이집트 문명 시대부터 사용되어 왔으며, 오랫동안 권력과 부의 상징으로 여겨졌습니다. 따라서 역사적으로 고가의 예술품, 주화, 보석 등에 활용되었습니다[1]. 이 금속들은 지구 지각에서의 희소성 때문에 일반적으로 다른 금속보다 비쌉니다[2, 3]. 견고한 특성과 부식 및 산화에 대한 내성 덕분에 항공우주, 자동차, 화학, 에너지, 전기·전자 산업뿐만 아니라 의료 분야(수술 기구부터 영상 조영제까지)에서도 널리 사용되어 왔습니다[4, 5].
지난 20년간 나노기술은 가장 유망한 미래 기술로 입증되었으며 무한한 가능성을 제시했습니다. 학계와 산업계의 다학제적 지원으로 가장 빠르게 확장하는 분야가 되었고, 매우 유망한 성과를 내고 있습니다[6-8]. 현재 나노스케일에서 금속을 합성하고 제어하는 기술적 도약은 개인 맞춤형 의료, 진단, 치료 분야의 연구 기회를 크게 확장시켰습니다[9-11]. 금속 나노입자(MNP)는 벌크 금속에 비해 인상적인 물리화학적 특성과 큰 표면적-부피 비율 덕분에 가장 광범위하게 연구되어 왔습니다. 생물의학 응용에서는 가혹한 환경에 대한 내성 덕분에 귀금속 나노입자(NMNP)가 자연스러운 선택이 되었습니다. 이들은 고감도 진단 분석, 방사선 치료용 열적 제거 증강제, 약물 및 유전자 전달체로 활용되었습니다[3, 12, 13].
나노기술과 재료과학의 최근 융합은 개별 구성 요소보다 열적, 촉매적, 전기적, 광학적, 기계적 특성이 크게 향상된 새로운 나노복합 소재의 개발로 이어졌습니다. 특히 귀금속 나노입자로 만든 복합체는 나노스케일 빌딩 블록을 수정하는 데 중요한 역할을 하는 인상적인 물리화학적 특성 덕분에 촉매(주로 전기촉매), 광학, 나노의학, 환경 보호 분야에서 폭넓은 응용을 보이며 큰 연구 관심을 끌고 있습니다[14-17]. 콜로이드 상태의 귀금속은 치료제와 진단에서의 효과로 인해 집중적으로 연구되어 왔습니다[2, 18]. 마찬가지로 그래핀 산화물과 환원 그래핀 산화물[14, 19, 20], 양자점[21-23], 탄소 나노튜브[24-26] 소재의 합성 개선은 귀금속 나노복합체(NMNC) 형성에 더 실현 가능하고 효과적인 방법을 제공했습니다.
금과 백금 나노입자, 귀금속 나노입자의 작은 크기, 큰 표면적-부피 비율, 높은 전자 전달 공정 지원 능력은 전기화학 센서로서 이상적인 후보가 됩니다[27-29]. 귀금속 나노입자의 광학적 특성은 많은 연구의 주제였으며, 특히 은과 금 나노입자가 그렇습니다. 이 나노입자들은 서로 다른 파장의 빛에 다르게 반응하며(금의 경우 가시광선에서 근적외선 영역까지 광범위한 산란), 표면 증강 라만 분광법(SERS), 국소 표면 플라즈몬 공명, 기타 공명 산란 분광법에서 신호 증강제로 활용됩니다[30-33]. 금 나노입자의 광범위하게 조절 가능한 광학적 특성과 생체적합성 덕분에 광열 치료와 종양의 생체 내 영상(광음향 영상)에 적용되었습니다[34-36]. 최근 은 나노입자도 광열 치료에서 잠재력을 보였으며, 일반적으로 은 코어-쉘 시스템이나 복합체(환원 그래핀 산화물/탄소 나노튜브와의 결합) 형태로 사용됩니다[37-39]. 귀금속 나노입자의 세포 및 조직과의 생체적합성은 진단 분야에서 폭넓은 적용 가능성을 열었습니다[14]. 귀금속 나노입자와 나노복합체(특히 그래핀) 기반 바이오센서는 기존 생체분자 진단법보다 정확도와 특이성을 높이는 데 핵심적인 역할을 했습니다[40, 41]. 일반적으로 금과 백금 나노입자는 생체분자 흡착 능력과 뛰어난 전도성 및 안정성 덕분에 새로운 바이오센서와 프로브 개발에 사용됩니다[42-45]. 그 결과 귀금속 나노입자 자체나 나노복합체 형태로 면역센서[46], 생체분자 검출[47], 나노프로브(생체 내 세포 이미징, 추적, 질병 진행 병인 연구)[2, 6, 48]로 활용됩니다. 이러한 모든 장점에도 불구하고 귀금속 나노입자와 나노복합체의 인체 내 안전성 프로파일에 대해서는 여전히 많은 의문과 논쟁이 존재합니다[49-51].
본 리뷰에서는 귀금속 나노입자(Ag, Au, Pt)와 귀금속 나노복합체(Ag, Au, Pt 기반)의 합성 방법론을 조사하고, 치료제와 진단 분야에서의 현재 생물의학적 응용 개발 현황을 다루며, 특히 귀금속 나노복합체와 귀금속 나노입자 간의 시너지 효과로 인한 성능 향상(현재 재료 연구의 핫 토픽)에 초점을 맞춥니다.
나노입자 제조는 기본적으로 두 가지 접근법을 따릅니다: (1) 탑다운(파괴적 방법)과 (2) 바텀업(구축적 방법)입니다(그림 1).
탑다운 공정은 다양한 물리적, 화학적 방법을 사용하여 벌크 물질을 나노 크기의 작은 입자로 분해하는 과정입니다. 반면 바텀업 접근법에서는 원자, 분자, 클러스터의 자기조립을 통해 나노입자를 생성합니다. 탑다운 접근법은 재료를 원하는 형태와 모양으로 절단, 밀링, 성형하는 외부 제어 공정을 포함합니다. 열분해[61, 62], 나노리소그래피[63, 64], 열분해[65], 방사선 유도 방법[66-68] 등 여러 물리적 방법이 이 범주에 속합니다. 그러나 이 접근법은 결과물인 금속 나노입자의 불완전한 표면 구조라는 주요 한계가 있으며, 이는 물리적, 화학적 특성에 상당한 영향을 미칩니다[1]. 또한 합성 공정 중 고압, 고온 조건을 유지하기 위해 막대한 에너지가 필요해 공정이 비쌉니다.
바텀업 방법에서는 화학적 및 생물학적 절차를 사용하여 해당 원자, 클러스터, 분자에서 나노입자를 조립합니다. 바텀업 접근법은 최종 생성물 형성에 대한 훨씬 더 나은 제어를 제공하여 더 균일한 크기, 모양(물리적 매개변수), 화학적 조성을 얻을 수 있어 유리합니다. 또한 일반적으로 비용이 덜 듭니다. 바텀업 접근법은 일반적으로 화학적[69, 70], 전기화학적[71-73], 초음파화학적[74, 75], 녹색 합성[76, 77] 같은 습식 화학 합성 공정입니다. 바텀업 접근법에서 합성된 입자를 반응 혼합물(독성 화학물질, 유기 용매, 시약)로부터 정제하는 것은 생물의학적 응용(녹색 합성 방법 제외)에 의문을 제기하는 주요 과제입니다.
스퍼터링은 가장 일반적으로 사용되는 합성 프로토콜 중 하나로, 이온이 기판과 충돌하여 생성된 박막 형태의 나노입자를 증착한 후 어닐링하는 과정을 포함합니다. 이 방법은 물리 기상 증착(PVD) 방법이라고도 합니다[78, 79]. 이 방법의 효율성은 주로 층 두께, 기판 유형, 어닐링 시간 및 온도와 같은 요인에 의존하며, 이는 나노입자의 크기와 모양에 직접적인 영향을 미칩니다[55, 80, 81].
바이오센서, 마이크로어레이, 조직공학, 세포 연구에 널리 사용되는 마이크로패터닝[82]은 금속 나노입자 합성에도 활용됩니다. 일반적으로 이 기술은 광선이나 전자빔을 사용하여 적절한 전구체에서 나노구조 어레이를 합성하기 위해 물질을 원하는 모양과 크기로 절단하거나 성형하는 인쇄 공정과 동등합니다. 이는 금속 나노입자 잉크의 레이저 소결을 이용한 포토리소그래피를 사용하여 금속 나노입자를 합성하는 저온, 비진공 방법입니다[83, 84]. 포토리소그래피 외에도 주사, 소프트 나노임프린팅, 콜로이드, 나노스피어, 전자빔 리소그래피 등 다양한 리소그래피 기술이 개발되었습니다[2, 57, 85, 86].
밀링은 벌크 물질을 직접 마이크로/나노구조로 분쇄하는 탑다운 공정의 대표적인 예입니다. 기계적 밀링에서 롤러/볼의 운동 에너지가 벌크 물질에 전달되어 입자 크기가 감소합니다[87]. 밀 유형, 밀링 분위기, 밀링 매체, 강도, 시간, 온도 등의 매개변수는 나노입자의 모양과 크기 제어에 중요한 역할을 합니다[88, 89]. 이러한 제약을 극복하기 위해 셰이커 밀, 텀블러 밀, 진동 밀, 어트리션 밀, 플래니터리 밀 등 다양한 기술이 개발되었습니다.
레이저 에이블레이션은 빠른 처리 시간, 입자 크기와 모양에 대한 더 나은 제어, 높은 수율, 우수한 장기 안정성을 제공하여 기존 화학 방법을 대체할 수 있는 적합한 방법으로 간주됩니다[78, 90-92]. 레이저 에이블레이션 공정에서 고체 표면(일반적으로 순수 금속판)을 레이저 빔으로 조사하면 저플럭스 플라즈마 깃털이 생성되고, 이는 최종적으로 증발 또는 승화되어 나노입자를 형성합니다[93]. 더 높은 플럭스에서는 물질이 플라즈마로 변환됩니다. 과량 시약 제거가 필요 없고 수용액 및 유기 용매 모두에서 금속 나노입자 합성이 가능하다는 점 덕분에 생체분자와 금속 나노입자의 현장 접합 등 생물의학적 응용에 구현될 수 있었으며, 이는 표준 기술보다 더 효과적인 것으로 입증되었습니다[54, 94, 95].
열분해는 금속 나노입자 합성에 단독으로 또는 다른 물리적 방법과 결합하여 자주 사용되는 또 다른 중요한 기술입니다[78]. 이는 열을 이용해 화합물의 화학 결합을 끊는 흡열 화학 분해 공정으로, 전구체의 분해를 유도하여 나노입자와 재 형태의 부산물을 생성하는 화학 반응을 일으킵니다. 얻어진 고체 재를 추가 가공하여 나노입자를 회수합니다. 열분해는 귀금속 나노입자 제조에 자주 사용됩니다[56, 96, 97]. 과도한 에너지 소비는 이 방법의 가장 중요한 단점 중 하나입니다.
이 방법은 진공 증착법으로도 알려져 있으며, 기체 반응물이 다른 기체 분자들과 결합하여 기판을 과열시키는 상태로 기판 위에 박막으로 증착됩니다. 반응 중 기판이 결합된 기체들과 접촉하면 이온이 환원됩니다[78]. 이 반응의 생성물은 보통 박막 형태이며, 여기서 나노입자를 긁어내야 합니다. 이 방법은 고순도, 균일, 비다공성 나노입자를 생성하므로 전자 및 반도체 산업에서 매우 중요해졌습니다. 이러한 막대한 장점에도 불구하고 특수 장비(박막 제조용 챔버 및 반응용 챔버) 필요, 기체 부산물의 극심한 독성 등의 주요 단점이 있습니다[98].
이 접근법은 유리한 반응 조건(pH, 온도 등)에서 안정제 존재 하에 다양한 화학적 환원제를 사용하여 이온성 염으로부터 금속 이온을 환원하는 과정입니다. 이 절차는 그 단순함 덕분에 모든 바텀업 접근법 중 가장 일반적이고 신뢰할 수 있는 방법입니다[2, 99]. 이 공정에 사용할 수 있는 환원제의 광범위한 목록이 있으며, 일반적으로 사용되는 것으로는 구연산나트륨[10, 100], 타닌산[99], 붕소수소화나트륨[101], 하이드라진, 수소, 리튬알루미늄수소화물, 알코올 등이 있습니다[2, 60]. 마찬가지로 안정제에도 많은 옵션이 있으며, 일반적으로 (1) 저분자량(예: 구연산, SDS, 키토산 등)과 (2) 고분자량(예: 전분, 트윈, PVP, PEG, DISPERBYK 등) 두 가지 범주로 나뉩니다. 저분자량 안정제(일반적으로 하전된 계면활성제)는 합성된 입자의 표면 전하를 변화시키고 입자 간 반발력을 유지하여 응집을 방지하는 경향이 있지만, 환경 스트레스 요인(특히 보관 온도 및 빛 노출 변화)에 대한 보호는 잘 하지 못합니다. 고분자량 안정제는 일반적으로 입자를 감싸서 환경 스트레스로부터 보호합니다. 이들은 저분자량 안정제보다 더 효율적인 것으로 나타났습니다. 그러나 두꺼운 안정제 층이 입자의 용해를 방해하므로 생물학적 응용과 촉매 특성에는 의문이 남습니다[102, 103]. 입자 크기와 모양의 균일성 측면에서는 화학 기반 환원이 확실한 승자입니다. 반응 매개변수(pH, 환원제와 안정제의 비율)를 변경하여 환원을 쉽게 조절할 수 있기 때문입니다. Tyagi 팀은 실온, pH 3, 구연산과 AuCl₃의 몰비 2:1 및 5:1에서 구연산 환원법으로 AuNP를 제조하여 각각 평균 크기 28nm와 25nm의 입자를 얻었습니다[104]. 이 pH에서 반응은 다른 pH 값보다 훨씬 빨랐습니다. 또한 구연산과 AuCl₃의 몰비 2:1에서 pH 3~6 범위에서 프리즘, 막대, 구형 등 다양한 모양의 AuNP가 형성됨을 보였습니다. Agnihotri 동료들이 유사한 구연산 환원법으로 AgNP를 합성한 연구에서는 가장 높은 구연산나트륨 농도(4.28×10⁻³ mol dm⁻³)에서 평균 크기 5nm의 입자를 얻었습니다[105]. 구연산 농도가 높아지면 입자 크기가 증가하여(1.77×10⁻² mol dm⁻³에서 100nm)습니다. Hou 등[106]은 전기촉매 응용을 위한 고도로 안정적이고 단분산된 백금 나노입자의 하이드라졸 형태 합성을 설명했습니다.
마이크로에멀전 기반 금속 나노입자 제조는 큰 관심을 끌고 있으며, 합성된 나노입자의 크기와 모양 같은 물리적 측면을 더 잘 제어할 수 있는 효과적인 방법으로 부상했습니다. 일반적으로 마이크로에멀전은 계면활성제 존재 하에 두 가지 비혼용성 액체의 혼합물입니다. 이러한 시스템은 일반적으로 초저계면장력, 큰 계면적, 열역학적 안정성을 가집니다[107]. Muñoz-Flores 팀[58, 108, 109]이 백금, 팔라듐, 로듐 나노입자를 합성하면서 최초의 마이크로에멀전 기반 귀금속 나노입자 합성을 보고했습니다. 마이크로에멀전 기반 나노입자 합성에서는 이온성 염을 함유한 마이크로에멀전과 양친매성 환경에서 생성된 환원제를 함유한 마이크로에멀전, 두 개의 분리된 마이크로에멀전을 제조합니다. 에멀전 간의 충돌로 반응물이 혼합되고 염의 이온이 중성 원자로 환원되어 나노입자를 형성합니다[2]. 금속 나노입자 합성에는 일반적으로 물-오일 시스템이 사용되며, 이 방법으로 생성된 나노입자는 에멀전 형태로 유도되므로 일반적으로 열역학적으로 안정적입니다. 필요에 따라 계면활성제와 오일의 비율을 조절하여 특정 유형의 나노입자 합성에 맞게 공정을 조정할 수 있으며, 이를 통해 입자의 크기와 모양을 제어할 수 있습니다[110].
전기화학적 공정은 귀금속 나노입자와 나노복합체 합성에 일반적으로 사용되며, 주로 촉매 특성으로 활용되고 최근에는 바이오센서로 생물의학적 응용에도 사용됩니다[111]. 전기화학적 방법은 1994년 Reetz와 Helbig이 순수 금속 시트를 양극에서 용해시켜 전해질 존재 하에 전기화학 셀의 음극에 금속 염을 증착시켜 나노입자를 생성하면서 처음 도입되었습니다[2, 112]. 이 방법의 효과는 환원제의 성격, 금속과 안정제의 순도, 전해질 선택, 농도 비율, 온도 등 다양한 매개변수에 의존하며, 이는 나노입자의 물리적 매개변수에 직접적인 영향을 미칩니다[53]. 현재 그래핀과의 나노복합체 합성에 전기화학적 방법을 나노입자 합성보다 선호합니다[113].
이 방법은 금속 나노입자 합성을 위해 이온화 방사선(특히 감마선, X선, 자외선 포함)을 사용합니다. 이는 부산물이 없는 완전히 환원된 고순도 금속 나노입자를 제공하여 기존 나노입자 합성 방법보다 매우 효율적인 것으로 입증되었습니다. 이 주제는 여러 리뷰에서 잘 다루어졌습니다[59, 66, 114, 115]. 이 공정에서 환원제와 안정제의 수용액을 방사선 매개 방사선분해에 노출시켜 나노입자를 형성합니다. 방사선 노출 중 물 분자가 분해되어 강한 산화제 또는 환원제 역할을 하는 과도 생성물을 생성하고, 금속 이온을 중성 금속 원자로 환원하여 핵형성을 거쳐 나노입자를 만듭니다. 싱크로트론 X선 기술을 통해 콜로이드 나노입자의 성장 궤적을 실시간으로 모니터링할 수 있게 되었습니다[116]. 나노입자 합성에 중요한 물리적 매개변수는 방사선 조사량, 시스템의 pH, 합성에 사용된 용매 유형입니다[117]. 최근 항균 응용을 위해 트윈 80으로 안정화된 AgNP 생산에 방사선 유도 합성이 사용되었습니다[118].
일반적으로 마이크로파 보조 합성은 원팟 합성으로도 알려져 있으며, 염과 계면활성제 용액에서 나노입자를 합성하는 과정입니다. 이는 합성된 나노입자의 형태 제어를 지원하는 매우 신뢰성 높고 빠르며 쉬운 방법입니다[2]. 이 방법은 쌍극자 상호작용(분자들이 마이크로파의 진동하는 전기장에 맞춰 정렬하고 진동하며, 이들 간의 충돌과 마찰로 열 발생)과 이온 전도(전기장이 급격히 변화하는 장에 분자들이 방향을 맞추려 하면서 이온 운동 생성, 순간적 과열 유도) 원리로 작동하여 금속 이온을 나노입자로 환원하는 가열 효과를 생성합니다[119, 120]. 마이크로파 조사 시간과 반응물 농도가 주로 나노입자의 형태학적 매개변수를 결정합니다. 최근 마이크로파 보조 합성으로 제조된 초상자성 자철석 나노입자의 단분산성, 입자 크기 같은 물리적 특성이 합성 단계별 휴메이트-폴리음이온 주입으로 제어되었습니다[121]. 마이크로파 유도 전기 방전은 용매나 계면활성제 없이 금속 입자에서 구리, 니켈, 아연 나노입자 합성에도 사용되었습니다[122].
화학 합성에서 화학물질의 과도한 사용은 귀금속 나노입자의 생물학적 응용 미래를 거의 위태롭게 만들었습니다. 이로 인해 화학물질 사용을 최소화하는 생태학적 방법 탐색이 이루어졌습니다. 식물 추출물, 미생물, 생체고분자를 이용한 녹색 합성 방법이 화학적 나노입자 합성 방법을 대체할 강력한 후보임이 입증되었습니다(그림 2)[123]. 더 단순하고 친환경적인 방법론 덕분에 지난 20년간 출판물이 기하급수적으로 증가했습니다[52, 124, 125].
경제적이고 환경 친화적인 방법 개발을 위한 탐구는 미생물을 나노입자 합성의 잠재적 후보로 탐색하게 했습니다[126, 127]. 생물학적 시스템은 원자와 분자의 위계적 조직화의 훌륭한 예로, 연구자들이 미생물을 나노소재 제조를 위한 잠재적 세포 공장으로 활용하게 만들었습니다. 원핵생물(세균)과 진핵생물(조류, 곰팡이, 식물) 모두 나노입자의 녹색 합성에 사용됩니다[123].
금속이 풍부한 환경에 반복적으로 노출된 세균은 종종 이러한 극한 조건에 대한 저항성을 발달시킵니다[128]. 따라서 원핵생물은 나노소재 생산의 자연스러운 선택이 되었습니다. 은 광산에서 분리된 금속 축적 세균인 Pseudomonas stutzeri AG259를 Klaus 등[129]이 활용하여 최대 200nm 크기의 세포 내 금속 은 나노결정을 생성했습니다. 나노입자의 세포 외 합성은 Shahverdi 동료들[130]이 처음 보고했는데, 그람음성 세균인 Enterobacter cloacae, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae의 다양한 배양 상등액을 통해 수용성 Ag⁺ 이온을 환원하여 AgNP를 생성했습니다. 합성 속도는 세포 내 합성보다 훨씬 빨라 Ag⁺ 이온이 세포 여과액을 만난 지 5분 만에 AgNP 합성이 이루어졌습니다. Bacillus licheniformis와 Bacillus clausii 같은 미생물이 생성하는 세포 외 환원효소가 은 이온을 중성 은으로 환원하여 나노크기 입자를 만듭니다. 이들 미생물의 단백질 분석 결과 NADH 의존적 환원효소가 은 이온의 은 나노입자로의 생물학적 환원에 중요한 역할을 함이 밝혀졌습니다. 환원효소는 NADH의 NAD⁺로의 산화로부터 전자를 얻습니다. 산화 과정에서 효소도 동시에 산화되어 은 이온이 AgNP로 환원됩니다. 일부 경우 질산염 의존적 환원효소도 생물학적 환원에 관여할 수 있습니다[131-133]. 또한 여러 세균주(그람음성 및 양성 모두), 즉 A. calcoaceticus, B. amyloliquefaciens, B. flexus, B. megaterium, S. aureus가 AgNP의 세포 내외 생물합성에 사용되었습니다[123]. 마찬가지로 AuNP와 PtNP도 세균에 의한 금과 백금 염의 축적과 환원으로 제조됩니다. B. licheniformis, B. megaterium, Delftia sp. KCM-006, Shewanella sp., Stenotrophomonas maltophilia, Lactobacillus sp. 등이 금 나노소재 생산에 사용된 세균의 예입니다[134, 135]. 또한 Shewanella sp.와 Acinetobacter calcoaceticus PUCM 1011이 PtNP 제조에 활용되었습니다[136, 137]. 세균 매개 합성은 친환경적 성격과 입자 모양 및 크기 제어(주로 세포 외 합성에서) 측면에서 유망하지만, 취급 어려움과 낮은 수율 같은 단점이 있습니다.
최근 진핵 미생물을 이용한 귀금속 나노입자 합성이 원핵생물보다 더 나은 대안으로 부상했습니다. 이는 높은 세포 내 금속 흡수 능력, 다양한 화학적 조성의 나노입자 합성 능력, 단위 바이오매스당 대량의 효소 생산 능력, 실험실 규모에서의 쉬운 바이오매스 취급 때문입니다[131].
일반적으로 곰팡이는 세균처럼 금속 생물축적 능력, 내성, 높은 결합 능력, 세포 내 흡수 능력 덕분에 금속 나노입자 합성 잠재력을 가집니다[127]. 곰팡이는 나노입자 합성에 세포 내 및 세포 외 방법 모두를 사용하며, 은 이온을 나노크기 은 입자로 전환하는 대량의 세포 외 효소를 생성할 수 있어 세포 외 합성이 가장 흔히 보고된 합성 메커니즘입니다[138-140]. 세포 내 합성에서는 Ag⁺ 이온이 효소의 음전하 카복실기 그룹과 양전하 Ag⁺ 이온 간의 정전기적 상호작용으로 세포 표면에 흡착됩니다. Ag⁺ 이온은 이후 세포벽에 존재하는 효소에 의해 환원되어 AgNP를 형성하며, 이 과정에서 나노입자는 용액이 아닌 균사체 표면에 형성됩니다. 2001년 Mukherjee 등[141]이 Verticillium sp.를 이용한 AuNP의 세포 내 제조를 처음 보고했는데, 테트라클로로아우레이트에서 Au³⁺ 이온이 곰팡이 세포 내에서 환원되어 20nm 크기 범위의 입자가 형성되었습니다. Vahabi 동료들[142]은 Trichoderma reesei를 이용해 AgNP를 합성했는데, 바이오매스가 포함된 배지에 AgNO₃를 접종하고 72시간 배양하여 5~50nm 크기 범위의 AgNP를 얻었습니다. 마찬가지로 Vigneshwaran 팀[138]의 또 다른 연구는 Aspergillus flavus로부터 AgNP의 세포 내 합성을 시연했으며, 세포벽의 효소가 주로 환원을 담당하고 단백질이 안정화를 담당한다고 보고했습니다. 더 빠른 합성, 합성된 입자의 크기와 모양에 대한 더 나은 제어 등 이러한 모든 장점에도 불구하고, 세포 내 공정은 나노입자가 세포에 결합하기 때문에 공정이 어렵고 비싸지는 제품 회수 측면에서 큰 단점이 있습니다. 결과적으로 세포 외 합성이 선호됩니다. 세포 외 합성에서는 세포가 없는 배양액/현탁액을 합성 공정에 사용하여 더 환경 친화적이고 비용 효율적입니다. 2016년 Balakumaran 팀[143]은 Aspergillus terreus의 세포가 없는 현탁액을 이용해 AuNP와 AgNP를 모두 합성하여 AgNP는 8~20nm, AuNP는 10~50nm 크기 범위의 구형 나노입자를 얻었습니다. 입자의 FTIR 평가에서 단백질이 나노입자와 결합함이 확인되었습니다.
조류 매개 나노입자 합성은 네 가지 다른 방법을 이용합니다: (1) 주어진 생장 단계에서 배양액으로부터 전체 조류 세포를 원심분리로 수확하여 금속 염의 수용액에 직접 분산; (2) 신선 수확 또는 동결건조 세포로부터 제조한 세포가 없는 수용성 추출물; (3) 신선 또는 건조 조류를 분쇄한 것의 수용성 추출 여과액 또는 상등액; (4) 조류 배양액의 수용성 여과액. 추출물 매개 합성이 가장 흔히 보고된 조류 기반 합성 메커니즘입니다[131, 144]. Hosea 등은 건조 세포 현탁액인 Chlorella vulgaris에서 원소 금이 AuNP(9~20nm) 형태로 축적됨을 관찰했으며, 테트라클로로아우르산으로부터 금 이온을 흡수하고 환원하는 조류 세포의 능력을 입증하는 시간에 따른 금 농도 증가를 보고했습니다[145]. Velgosova 동료들[146]은 녹조류 Parachlorella kessleri의 수용성 추출물로부터 약 20nm 크기의 고도로 안정적인 AgNP 합성을 보고했는데, 합성된 입자는 1년 이상 우수한 안정성을 보였습니다. Pithophora oedogonia, Sargassum wightii, Plectonema boryanum 같은 다른 조류종도 각각 Ag, Au, PtNP 구축에 성공적으로 사용되었습니다[147-149].
식물 및 식물 추출물 매개 합성이 가장 흔히 보고된 합성 방법론입니다[123, 135, 150]. 이 합성 유형은 식물합성(phytosynthesis)으로 지정됩니다. 이 합성 방법의 주요 장점은 쉬운 제품 회수입니다. 2003년 Gardea-Torresdey 팀이 알팔파 새싹(Medicago sativa)을 한천 배지에서 살아있는 식물 시스템으로 사용하여 금속 나노입자(AgNP) 합성을 처음 시연했습니다[151]. 뿌리는 배지에서 Ag를 흡수하여 동일한 산화 상태로 줄기를 따라 운반하고, 줄기에서 Ag 원자가 추가로 배열되어 AgNP를 형성합니다. 유사하게 또 다른 연구에서는 알팔파 식물 분비물을 이용해 Au⁺를 Au⁰로 환원하여 비슷한 절차로 AuNP를 생성했습니다. 식물 추출물 매개 합성은 나노입자 합성을 위해 식물 성분(잎, 줄기, 뿌리, 싹, 꽃, 껍질, 씨앗) 추출물을 사용하며, 이 방법의 주요 장점은 추출물이 환원제와 안정제 역할을 동시에 할 수 있다는 점입니다[152]. 이 방법은 장기 안정성을 가진 나노입자를 생산하는 가장 비용 효율적이고 사용자 친화적인 방법임이 입증되었습니다. 2016년 Balashanmugam 팀은 Cassia roxburghii 수용성 잎 추출물로부터 식물생성 AgNP 합성을 시연했습니다. 합성된 AgNP는 약 35nm 크기 범위에 있었고 1년 이상 우수한 안정성을 보였습니다. 이 방법은 개별 및 이금속 입자 합성도 용이하게 했습니다. 님(Azadirachta indica) 잎 추출물은 Shankar 등[153]이 은, 금, 이금속 Au/Ag 코어-쉘 NP 제조에 성공적으로 사용했습니다. 유사한 식물 추출물(껍질, 잎, 과일, 고무)이 여러 연구자들에 의해 다양한 귀금속 나노입자 생산에 사용되었습니다[153-155]. 현재 빛 유도 나노입자가 주목받고 있는데, 이 절차는 혼합물을 햇빛에 노출시켜 더 빠른 합성을 촉진합니다. Kumar 등[156]은 Erigeron Bonariensis 수용성 잎 추출물을 이용해 은 나노입자를 합성하여 13nm(TEM 크기) 크기 범위의 구형 및 타원형 AgNP를 얻었습니다. 이 합성에서 고려해야 할 중요한 매개변수는 빛 노출 시간과 반응 시스템 내 식물 추출물 농도입니다.
나노입자 합성을 위해 여러 물리적, 화학적, 생물학적 방법이 개발되었습니다. 이 모든 공정은 나노제품의 유용성과 적용성을 기반으로 널리 사용됩니다. 그러나 기존 프로토콜 각각은 특정 단점을 가지며, 대부분 대규모 생산으로 스케일업할 수 없습니다. 따라서 제어 가능하고 조절 가능한 특성을 가진 나노입자를 제조하기 위한 대체 공정 개발은 여전히 열린 과제로 남아 있습니다.
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나노물질
맞춤 금속 제작자들은 다양한 산업과 많은 다양한 응용 분야에서 여러 종류의 금속을 사용하여 작업합니다. 강도, 전도성, 유연성, 내식성은 모두 선호되는 특성입니다. 가공, 절단, 용접의 다양한 제작 공정을 통해 이 일반적인 맞춤 금속들은 다양한 제품에 사용될 수 있습니다. 이 기사는 금속 제작에 사용되는 3가지 금속 유형을 강조합니다. 탄소강 제작 탄소강은 금속 제작자들이 가장 많이 사용하는 소재이며 산업용으로 주요 금속입니다. 탄소강은 가장 다양한 옵션을 가지며 건설부터 기계까지 어디에나 사용할 수 있습니다. 이
리마, 오하이오를 산업이 번창하는 도시로 생각하지 않을 수 있지만, 더 넓은 오하이오 지역에 절실한 일자리와 서비스를 공급하는 제조 기업들이 있습니다. 주요 기업: General Dynamics와 American Trim 이 두 기업은 운송과 방위 산업이라는 국가의 두 가지 중요한 산업에 금속 제품을 공급하기 위해 열심히 노력합니다. 이러한 산업은 시장의 높은 수요를 따라잡기 위해 부품과 서비스가 신속하게 필요하므로, 이들을 지원하는 기업들은 로봇을 사용하여 생산 속도를 높입니다. General Dynamics 오하이오 리마의 Ge
