The nanoparticle means a structure comprising atoms or molecules with a particle size of 20 nm or less and it has been considered a key material in fundamental research and bio or catalyst application because of novel physical and chemical properties different from the bulk system. The liquid-phase synthesis is one of the most effective methods to obtain the desired properties of the nanoparticles by precisely controlling structural characteristics, such as the shape, size, or composition of nanoparticles. However, the lack of understanding of the complex inter-particle interactions that occur in liquid environments and the fundamental instability of nanostructures at the nano-scale is a major obstacle to understanding and controlling the particle formation pathway. In this thesis, real-time and high-resolution observation of the fluctuation and dynamic behavior of colloidal nanoparticles occurring in the liquid environment was performed by using graphene liquid cell transmission electron microscopy. Through in-situ liquid phase transmission electron microscopy, the structural fluctuation of the nanoparticles that occur during the particle size change in the liquid phase was investigated, and the origin of the structural instability of the nanoparticle that occurs in the real liquid environment was discussed. In addition, by directly observing the Brownian motion of the particles due to the interaction between the nanoparticles and the graphene liquid cell, the dynamic behavior of the nanoparticles was examined. This study presents a practical method for observing dynamical phenomena occurring at the nanoscale in the liquid environment and improves the fundamental understanding of the colloidal system for structural instability and motional behavior in the liquid phase, thereby contributing to the advancement of basic nanoscience and industry.
나노 입자는 원자, 분자들의 집합체로써, 20 nm 이하의 입자 크기를 가지고 있는 구조체를 의미하며, 벌크 물질과 다른 새로운 물리화학적 특성을 가지고 있어 기초 연구 및 바이오, 촉매 산업 등 응용분야에서 핵심적인 물질로써 간주되고 있다. 액상 합성 방법은 나노 입자의 형태, 크기, 조성 등 구조적 특성을 정밀하게 조절하여 원하는 구조를 형성하기 위한 가장 효과적인 방법 중 하나이다. 그러나 액상 환경 내에서 발생하는 복잡한 입자간 상호작용, 나노 크기에서 발생하는 구조의 근본적인 불안정성에 대한 이해 부족은 입자 형성 과정을 이해하고 조절하는데 큰 걸림돌이 되고 있다. 본 학위 논문에서는 그래핀 액상셀 투과전자현미경을 이용하여 액상 내에서 실시간으로 발생하는 콜로이달 나노 입자의 변화 및 입자 거동에 대해 고분해능 관찰을 수행하였다. 실시간 액상투과전자현미경 관찰을 통해 액상 내에서 입자 크기 변화 과정 동안 발생하는 나노 입자의 구조적 변화에 대해 고찰하여, 실제 액상 내에서 발생할 수 있는 나노 입자의 구조적 불안정성의 원인에 대해 논하였다. 또한 그래핀 액상셀 내 나노 입자와 액상셀 사이의 상호작용에 의한 입자의 브라운 운동을 직접적으로 관찰하여 나노 입자의 동역학적 거동을 제시하였다. 해당 연구는 액상 환경 내 나노 크기에서 발생하는 현상들에 대한 실질적인 관찰법을 제시하고 있으며, 입자의 구조적 불안정성과 액상내에서의 거동에 대한 콜로이달 시스템의 근본적인 이해를 높여 나노 입자를 다루는 기초 과학 및 산업의 진보에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.
