[미국] 플라즈몬, 해수담수화 시설에 효율적
미국 퍼듀대학교(Purdue University) 연구원은 플라즈몬의 새로운 분야가 지속 가능한 화학 공정과 효율적인 해수담수화 시스템을 발전시킬 수 있다고 믿고 있다.
플라즈몬 자료에는 표면 플라스몬(surface plasmons)이라고 불리는 전자구름(Electron cloud)을 이용하여 빛을 전례 없이 제어할 수 있는 기능, 패턴 또는 요소가 포함되어 있다.
퍼듀대학 블라디미르 샬레(Vladimir M. Shalaev)교수는 "플라스몬닉스(Plasmonics)는 볼륨을 볼륨으로 전자기 에너지 집중의 금속 nanostructures의 도움으로 빛과 광화학에 대한 궁극적 인 제어를 제공한다"라고 말한다.
퍼듀대학 전기·컴퓨터공학 교수인 Bob and Anne Burnett도 "미래에 화학 공정을 운전, 조작, 향상 및 모니터링하는 방식에 변화가 있을 수 있다"고 강조했다.
실용적인 응용 가능성은 스탠포드대학의 재료과학 및 공학과 교수인 Alberto Naldoni, Shalaev 및 Mark Brongersma가 쓴 Science Magazine의 지속 가능한 미래에 대한 플라즈몬의 적용에 대한 논평에서 논의되었다.
새로운 유형의 화학
표면 플라즈몬과 '공진나노구조(resonant nanostructures)'는 화학물질과 연료의 초 효율적인 생산을 위해 활용될 수 있다. 한 가지 예는 빛을 수확하여 촉매작용을 수행하는 반도체 장치와 결합된 이러한 나노 구조의 잠재적인 용도이다.
반도체가 밝게 빛나면 전자는 한 에너지 준위 또는 밴드에서 다른 것으로 이동하고 '구멍'을 남기면서 '흥분'한다고 한다. 표면 플라스몬(plasmons)은 집단적으로 흥분되고 '부패', 또는 에너지를 잃거나, 광자 또는 매우 활기찬, 뜨거운 전자 및 구멍을 방출하는 전자의 그룬다. 이 뜨거운 전자는 화학 반응을 일으키는 데 사용될 수 있다.
플라스몬닉스(Plasmonics)의 혁신은 고온 및 고압에서만 일반적으로 가능한 새로운 유형의 화학을 탐구하는 것을 가능하게 할 수 있다. 표면 플라즈몬은 '국소 가열'을 유발하여 산업 공정의 화학 분리 및 증류, 해수담수화와 같은 응용 분야에 적합하다.
샬레(Shalaev) 교수는 "세계는 민물 위기에 직면하고 있으며, 염분의 담수를 저렴하고 효율적으로 생산하는 것은이 세계적 도전에 종지부를 찍을 것"이라면서 "Plasmonic nanoparticles는 물 위에 뜨는 멤브레인의 나노 채널 내부에서 자체 조립될 수 있다.
방사선 조사시 플라즈몬 장치는 태양 스펙트럼의 96% 이상을 흡수하고 흡수된 에너지를 나노 수준의 물에 집중시켜 증기 발생과 효율적인 담수화를 가능하게 한다"고 말했다.
플라스몬닉스(Plasmonics)는 또한 화학, 기술 및 의학 분야의 응용 분야에 맞춤형 '3차원 메타 물질' 및 광 구동 분자 로봇을 생산하기 위해 DNA와 결합될 수 있다.
샬레(Shalaev) 교수는 이어 "이러한 플라즈몬 장비는 분자 수송 및 정보 처리와 같은 현명한 작업을 수행하기 위해 구현 될 수 있다"고 말했다.
산업 수준까지 플라즈몬 화학을 확장시키기 위해서는 새로운 대체 플라즈몬 물질의 개발, '메타표면(metasurface)'의 사용 및 유연한 나노 광자 플랫폼의 개발이 필요하다.
샬레(Shalaev) 교수는 "깨끗하고 지속 가능한 사회로의 전환은 이미 진행되고 있다”면서 "Plasmonics는 정밀도와 제어가 가능한 원자 수준의 화학공정을 활성화, 조작, 향상 및 모니터링함으로써 이 전환을 가속화 할 수 있다"고 강조했다.
[원문보기]
Plasmonics offers new route to efficient desalination
Purdue University researchers believe the emerging field of plasmonics could bring advances in sustainable chemical processes and efficient saltwater desalination systems.
Plasmonic materials contain features, patterns or elements that enable unprecedented control of light by harnessing clouds of electrons called surface plasmons.
“Plasmonics offers the ultimate control over light and photochemistry, with the help of metallic nanostructures capable of concentrating electromagnetic energy into nanoscale volumes,” explains Vladimir M. Shalaev, Purdue University’s Bob and Anne Burnett Distinguished Professor in Electrical and Computer Engineering. “It may have a transformative impact on the way we will drive, manipulate, enhance, and monitor chemical processes in the future.”
The potential for practical applications is discussed in a commentary Applying plasmonics to a sustainable future in Science magazine, written by visiting scientist Alberto Naldoni, Shalaev, and Mark Brongersma, a professor in the Department of Materials Science and Engineering at Stanford University.
New types of chemistry
Surface plasmons and 'resonant nanostructures' might be harnessed for the ultra-efficient manufacture of chemicals and fuels. One example is the potential use of these nanostructures combined with semiconductor devices that harvest light to perform catalysis.
When semiconductors are illuminated, electrons are said to be 'excited,' moving from one energy level, or band, to another and leaving behind 'holes.' Surface plasmons are groups of electrons that collectively become excited and then 'decay,' or lose energy, re-emitting photons or highly energetic, 'hot,' electrons and holes. These hot electrons can be used to drive chemical reactions.
Innovations in plasmonics could make it possible to explore new types of chemistry that are typically only possible at high temperatures and pressures. The surface plasmons cause 'local heating,' which holds promise for applications such as chemical separation and distillation for industrial processes, and saltwater desalination.
“The world is facing a freshwater crisis, and cheap, efficient production of freshwater from saltwater would mean an end to this global challenge,” Shalaev says. “Plasmonic nanoparticles can be self-assembled inside the nanochannels of a membrane that floats on water. Upon irradiation, the plasmonic device absorbs more than 96% of the solar spectrum and focuses the absorbed energy in nanoscale water volumes, enabling steam generation and efficient desalination.”
Plasmonics also might be combined with DNA to produce custom-made 'three-dimensional metamolecules' and light-driven molecular robots for applications in chemistry, technology and medicine.
“Such plasmonic machines could be implemented for carrying out smart operations such as transport of molecules and information processing,” he said.
Scaling up plasmonic chemistry to the industrial level would require development of new alternative plasmonic materials, the use of 'metasurfaces' and flexible nanophotonic platforms.
“The transition to a clean and sustainable society is already taking place,” Shalaev says. “Plasmonics can help accelerate this changeover by enabling, manipulating, enhancing, and monitoring chemical processes with atomic-scale precision and control.”
[출처 = Filtration+Separation(www.filtsep.com) / 2017년 6월 15일]