[표지로 읽는 과학] 신소재 '맥신'을 합성하는 새로운 방법

사이언스 제공

국제학술지 '사이언스'는 이번주 표지에 주사전자현미경을 통해 찍은 구형 모양의 나노물질 '맥신(MXene)'을 실었다. 주사전자현미경은 시료를 전자선으로 주사해 시료 표면에서 발생하는 신호를 검출해 3차원 영상으로 표현한다. 맥신의 2차원 층은 수직으로 쌓인 다음 미세한 구형 구조로 접힌 모습이다.  

2011년에 처음 발견된 맥신은 2차원 평면구조로 전이금속에 탄소 또는 질소가 결합해 원자 두께의 층으로 구성된 나노물질이다. 맥신은 전기전도도가 높으면서도 말단에 존재하는 수산화기나 산소로 인해 친수성이 있어 용액공정이 가능하다.

또 다양한 전이금속과 13족 또는 14족 원소, 탄소 또는 질소의 다양한 조합을 통해 수백가지 종류의 서로 다른 맥신을 합성할 수 있어 에너지 저장 분야에서 다양하게 응용될 수 있다. 

맥신은 맥스(MAX)라고 불리는 결정성 물질로부터 만들어진다. 층상 구조의 맥스 결정은 세라믹 물질이지만 연성이 있어 기계적인 가공이 가능하다. 가공을 위해 형태를 변형하면 층상구조가 서로 미끌리며 박리가 일어나는 독특한 특성을 보여준다.

하지만 맥스 결정에 존재하는 알루미늄 등 기타 불필요한 물질들을 부식시켜 선택적으로 제거하는 '식각(Etching)' 과정에서 시간이 많이 걸리는 한계가 있었다. 식각에는 일반적으로 최대 24시간 동안 불산 또는 반응성이 높은 용액에 맥스 소재를 담그는 과정이 포함된다. 이 과정에서 대량의 유해 폐기물이 발생돼 제조 규모가 제한되고 비용이 추가되는 단점이 있었다.

드미트리 탈라핀 미국 시카고대 화학과 교수 연구팀은 식각 과정을 생략한 맥신의 직접 합성 경로를 입증하고 연구 결과를 국제학술지 '사이언스'에 23일(현지시간) 게재했다. 

연구팀은 가스 화학 반응으로 형성된 입자 표면에 수증기를 쏘아 증착시켜 보호막인 절연막이나 전도성막을 형성하는 '화학 기상 증착법'을 활용해 개발한 맥신 시트가 단단하면서도 우수한 에너지 저장 용량을 나타냈다고 밝혔다. 연구팀은 "맥신의 직접 합성 방법은 새로운 상과 형태를 만들어 맥신 사용의 경계를 확장하면서도 다양한 응용분야에서 사용이 가능할 것"이라고 밝혔다.  

[윤영혜 기자 yyh@donga.com]