나노소재, 오랜 상식 뒤집었다…나노입자 ‘역설적 현상’ 규명

KAIST, 금속 종류 많을수록 균일한 나노입자 형성 규명
금속 원자들이 층층이 질서있게 쌓여 안정적 구조 만들어
5개 금속 포함된 나노촉매 제작...기존 촉매 4배 효율 향상

챗GPT로 그린 일러스트.

국내 연구진이 여러 종류의 금속을 섞으면 보다 균일한 나노입자가 만들어지는 원리를 처음으로 규명했다. 여러 금속을 동시에 반응시키면 복잡한 화학 반응으로 입자가 더 불균일해질 것이라는 기존 상식을 뒤집은 것이다.

앞으로 고성능 촉매와 친환경 에너지 소재 개발의 새로운 전환점이 될 것으로 기대된다.

KAIST는 정희태 생명화학공학과 석좌교수 연구팀이 마테오 카르넬로 미국 스탠퍼드대 교수팀과 공동으로 여러 금속을 섞을수록 오히려 더 균일한 나노입자가 형성되는 ‘성분 집중 현상’을 세계 최초로 규명했다고 8일 밝혔다.

이 연구결과는 국제 학술지 ‘사이언스’ 8일자에 실렸다.

나노 입자는 반도체, 친환경 에너지, 바이오 등 다양한 산업에 널리 쓰이는 핵심 소재이다. 지금까지 대부분의 나노 입자는 한 가지 금속 원소로 이뤄진 단일 성분 구조였다.

최근 성능 향상을 위해 여러 금속 원소를 섞어 다성분 구조로 만들기 위한 연구가 진행되고 있다.

하지만 금속 원소가 많아질수록 각 원소의 반응 속도가 달라 입자 크기와 모양이 들쭉날쭉해지는 문제가 발생해 정밀 제어가 어렵다.

연구팀은 금속 원소의 종류가 늘어날수록 입자 성분이 한 방향으로 모이면서 보다 균일해지는 ‘성분 집중’에 주목하고, 금속 원소 간 경쟁적 반응성으로 인해 발생한다는 사실을 밝혀냈다.

서로 다른 금속 원자들이 경쟁적으로 결합하는 과정에서 먼저 자리를 잡은 원자가 이후 들어오는 원자가 결합하는 데 필요한 에너지 장벽을 낮춰주는 ‘징검다리’ 역할을 하면서 원자들이 안정적으로 층층이 쌓여 균일한 구조를 형성하게 된다.

여러 금속이 섞인 복잡한 나노소재를 원하는 형태로 정밀하게 설계할 수 있는 가능성을 처음으로 제시한 것이라고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 이 원리를 적용해 5가지 금속이 포함된 다성분 나노입자 촉매를 제작했고, 이 촉매가 루테늄 촉매보다 4배 높은 효율로 암모니아를 분해해 수소를 생산했다. 900도의 고온에서도 구조가 안정하게 유지되는 우수한 내열성도 확인했다.

정희태 석좌교수는 “섞는 금속의 종류와 개수가 많아질수록 오히려 더 균일해진다는 사실을 발견한 연구”라며 “다양한 금속 조합을 통해 차세대 나노소재 개발에 기여할 것”이라고 말했다.

정희태(왼쪽) KAIST 생명화학공학과 석좌교수와 윤지수(오른쪽) 박사과정생.

이준기 기자 bongchu@dt.co.kr