금속 원소를 여러 종류 혼합할수록 나노입자가 불규칙해진다는 기존 상식을 뒤엎는 연구 결과가 나왔다.
KAIST 생명화학공학과 정희태 석좌교수 연구팀이 스탠퍼드대학교 마테오 카르넬로 교수팀과 손잡고 수행한 이번 연구는 다성분 금속이 결합할 때 오히려 균일한 구조가 형성되는 '성분 집중' 메커니즘을 세계 최초로 밝혀냈다.
반도체, 친환경 에너지, 바이오 산업 등에서 핵심 소재로 자리 잡은 나노입자는 머리카락 굵기의 약 10만분의 1 수준이다. 성능 극대화를 위해 복수의 금속을 조합하는 다성분 구조가 최근 각광받고 있지만, 구성 원소별 반응 속도 차이로 인해 크기와 형태가 불균일해지는 현상이 정밀 제어의 최대 걸림돌로 지목돼 왔다.
연합뉴스에 따르면, 연구팀은 이 문제의 해답을 원자들의 경쟁적 결합 과정에서 찾아냈다. 먼저 위치를 선점한 금속 원자가 후속 원자의 안착을 유도하는 일종의 '징검다리' 기능을 수행한다는 것이다. 무질서하게 뒤섞이는 대신 원자들이 층층이 질서 있게 적층되면서 안정적 구조가 완성되는 원리가 확인됐다.
복잡한 화학 반응 환경이 오히려 정돈된 구조 형성을 촉진한다는 이 발견은 기존 나노소재 합성의 통념을 완전히 뒤집는다. 연구팀은 복잡한 다성분 나노소재도 원하는 형태로 정밀 설계할 수 있는 가능성이 처음 열렸다고 평가했다.
이론 검증을 위해 제작된 5종 금속 기반 다성분 나노입자 촉매는 암모니아 분해 수소 생산 반응에서 탁월한 성능을 입증했다. 높은 온도와 촉매가 필수적인 이 공정에서 산업 현장의 표준 재료인 루테늄 촉매 대비 약 4배에 달하는 효율이 기록됐다.
정희태 석좌교수는 예상치 못한 역설적 현상의 발견과 작동 원리 규명에 큰 의미를 부여했다. 그는 원하는 성능에 맞춘 금속 조성 설계가 가능해져 수소 생산, 이산화탄소 전환 등 에너지 공정의 효율 향상과 친환경 에너지 소재 개발에 폭넓게 응용될 전망이라고 밝혔다.
이 연구 성과는 7일 자 세계 최고 권위 학술지 사이언스에 실렸다.
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