Fabrication of SiO2/TiO2 Core/Shell & Hollow Nanoshperes and Their Applications: Photocatalyst, Drug Delivery, and Electrorheological Fluid

Abstract

어느 한 개 이상의 차원이 100 나노미터 이하인 물질을 나노물질이라 한다. 이러한 나노물질은 매우 높은 부피 대비 표면적비로 인해 독특한 성질을 갖게 된다. 나노물질의 독특한 성질은 전자기기, 광학기기, 에너지 관리, 표면 개질, 건축, 정보기술, 의학, 약학 등 여러 분야에 이용되고 있다. 따라서 지난 몇 십 년 동안 기존의 물질을 나노물질로 만들기 위한 노력이 계속되어 왔다. 최근에는 크기를 줄여 나노물질을 만드는 것보다는 나노구조체를 디자인하고 제조하는 것이 연구 주제로 각광받고 있다. 나노구조체의 제조와 디자인은 앞에서 언급한 여러 분야에서의 성능 향상뿐만 아니라 새로운 기능을 추가하는 것도 가능하다. 이러한 나노구조체 중 대표적인 형태가 코어/셀 나노입자와 중공 나노입자이다. 코어/셀 나노입자는 가운데의 코어 입자와 이를 둘러싸는 이종의 물질로 이루어진 물질이다. 코어를 코팅하는 것을 통해 콜로이드 간의 상호작용을 이해함과 동시에 이를 이용하여 콜로이드에 안정성을 조절하는 것이 가능하다. 다양한 코어물질에 이종의 적합한 물질을 입힘으로써 사용 목적에 적합한 물질을 제조할 수 있다. 코어물질을 통해 코어/셀 나노입자에 다양한 색, 형광, 자성, 약물저장공간 등을 도입하는 것이 가능하다. 그리고 코팅하는 물질을 변화시킴으로써 코어/셀 나노입자의 표면 전하, 관능기, 반응성 등을 조절할 수 있고, 이로 인해 입자의 안정성, 분산성을 향상시킬 수 있다. 이러한 이유로 코어/셀 나노입자는 여러 응용 분야에서 중요한 위치를 차지하고 있다. 중공 나노입자는 코어가 빈 공간인 코어/셀 나노입자의 특별한 한 종류이다. 중공 나노입자의 비어있는 부분은 입자의 낮은 밀도, 높은 표면적을 가능하게 하고, 또한 굴절률, 기계적 성능, 열적 내구성, 투과성 등을 조절할 수 있게 해준다. 중공 나노입자의 이러한 성질은 촉매, 코팅, 복합체, 화장품, 염료, 잉크, 인공세포, 충전제 등으로 사용하기에 적합하다. 이외에도 스마트 약물을 위한 약물 전달 물질로도 사용될 수 있다. 본 논문에서는 실리카/티타니아 코어/셀 구형나노입자와 중공 구형나노입자를 제조하고 이를 응용하는 것에 초점을 두고 있다. 콜로이드 실리카를 주형으로 이용하여 실리카/질소가 도핑된 티타니아 코어/셀 구형나노입자, 실리카/티타니아 중공 구형나노입자, 바륨이 도핑된 실리카/티타니아 중공 구형나노입자를 제조하였다. 제조된 구형나노입자들은 각각 유기물 분해를 위한 광촉매, 표적지향 약물전달체, 효율적인 전기유변유체에 응용되었다. 이들 구형나노입자들은 각각의 응용에 적합하고 최적의 성능을 낼 수 있도록 디자인되고 제조되었다.

Nanomaterials are very small materials which have smaller size than 100 nanometers in at least one dimension. These materials exhibit distinctive characteristics induced by extremely high surface area to volume ratio of the materials. The distinctive characteristics of nanomaterials has been paid a considerable attention and widely used in many areas such as electronics, optics, energy management, structural materials, functional surfaces, construction, information technology, pharmaceutical and medical field, and so on. Thus, a large effort has been devoted to synthesis of conventional materials in nanoscale size over the last decade. These days, fabrication and design of nanostructures which have various shapes and sizes have been highlighted as main research theme in nanotechnology. Fabrication and design of nanostructures in various shapes and sizes have made it possible to not only enhance performances, but also develop new functions in many fields. Typical nanostructures widely studied are core/shell nanoparticles and hollow nanoparticles. Core/shell nanoparticles are structured nanoparticles that consist of a core of one material and a coating shell of another material. The introduced shell layer provides an understanding of factor governing colloidal interactions and stabilization. Core/shell nanostructures tailor the surface properties of particles and are accomplished by coating or encapsulating core materials within shell of preferred material. The introduce core can serve color, fluorescence, magnetism, drug reservoir, etc. The coating shell layer on core materials changes the charge, functionality, and reactivity of the surface, resulting in increased stability, and dispersibility. For these reasons, core/shell materials have the crucial meaning in the application fields. Hollow nanoparticle is a special kind of core/shell nanoparticle having emptiness as a core. The void space of hollow nanostructures could lead to low density, large specific area, modulate refractive index, mechanical and thermal stabilities, and surface permeability. These hollow nanoparticles have a great possibility in various application fields such as catalysis, coatings, composite materials, cosmetics, dyes, ink, artificial cells, and fillers. Furthermore, the large fraction of void space in hollow nanoparticles can be used as a carrier for controllable release of drugs in the pharmaceutical fields. This dissertation describes novel method to fabricate SiO2/TiO2 core/shell and hollow nanospheres and their applications. SiO2/N-doped TiO2 core/shell nanospheres, SiO2/TiO2 hollow nanospheres, and Ba-doped SiO2/TiO2 hollow nanospheres are fabricated using colloidal SiO2 as templates. The prepared nanomaterials are applied to photocatalyst for decomposition of organic molecules, nanocarrier for targeted drug delivery, and efficient ER fluid, respectively. Each nanosphere was deliberately designed and customized for superior performance in specific applications.