KAIST "나노 입자의 역설…금속 다양하게 섞을수록 균일"

여러 금속을 섞으면 구조가 망가진다는 나노 소재 분야의 오래된 상식을 뒤집는 연구 결과가 나왔다. 여러 금속을 섞을 때 금속 원소 간 경쟁적 반응성이 원자의 균일한 구조 형성을 가능케 한다는 것이 핵심이다. 먼저 형성된 금속 원자가 다른 금속 원자가 결합하는 데 필요한 에너지 장벽을 낮추는 일종의 '징검다리' 역할을 하는 원리다.

(왼쪽부터) KAIST 생명화학공학과 윤지수 박사과정생, 스탠포드대 재료공학과 오진원(Jinwon Oh) 박사, KAIST 생명화학공학과 정희태 석좌교수, 스탠포드대 화학공학과 마테오 카르넬로(Matteo Cargnello) 교수. KAIST

KAIST는 생명화학공학과 정희태 석좌교수 연구팀과 미국 스탠퍼드대 마테오 카르넬로(Matteo Cargnello) 교수팀이 이 같은 '역설적 현상'을 최초로 규명했다고 8일 밝혔다.

나노 입자는 반도체, 친환경 에너지, 바이오 등 첨단 산업계에서 핵심 소재로 널리 활용된다. 최근에는 성능 향상을 위해 여러 종류의 금속을 섞는 '다성분' 구조로 발전하는 양상이다.

다만 원소별 반응 속도가 각기 달라 입자의 크기와 모양이 가지런하지 않은 점(정밀 제어의 어려움)은 다성분 구조를 구현하는 데 대표적인 난제로 꼽힌다.

공동연구팀은 이 같은 문제를 해결할 단서로 '성분 집중'에 주목했다. 성분 집중은 여러 금속을 섞을수록 특정 조성으로 자연스럽게 정리되는 현상을 말한다. 이를 이용하면 금속 원소의 종류가 늘어나더라도 입자의 성분이 한 방향으로 모여 균일해질 수 있다.

실제 서로 다른 금속 원자가 경쟁적으로 결합하는 과정에서 먼저 자리를 잡은 원자는 이후 추가되는 원자가 보다 수월하게 섞이도록 돕는 일종의 징검다리 역할을 했다. 원자가 무작위로 섞이는 게 아니라 층층이 질서 있게 쌓여 안정적 구조를 완성하는 형태다.

경쟁적 반응성을 이용한 다성분 나노 입자 형성과 수소 촉매 응용 개념도(AI 생성 이미지). KAIST

공동연구팀의 이 같은 연구 결과는 그간 나노 소재 합성에서 난제로 여겨졌던 '복잡한 화학 반응 환경'이 되레 원자가 정돈된 구조를 이룰 수 있게 돕는다는 새로운 원리를 밝혀냈다는 점에서 의미를 갖는다. 여러 종류의 금속을 혼합한 복잡한 나노 소재도 '원하는 형태로 정밀하게 설계할 수 있다'는 가능성을 제시한 것이 최대 성과다.

특히 같은 원리로 5가지 금속이 포함된 다성분 나노 입자 촉매를 제작한 결과, 이 촉매는 수소 생산을 위한 암모니아 분해 반응에서 기존 루테늄(현재 산업 현장에서 가장 널리 사용) 촉매보다 4배가량 높은 효율을 보였다. 또 900도에서도 구조가 안정적으로 유지되는 내열성을 나타냈다.

정 석좌교수는 "이번 연구는 나노 입자 합성 과정에서 예상하지 못했던 '역설적 현상'을 발견해 작동 원리를 규명했다는 점에서 의미가 크다"며 "이 원리를 활용하면 원하는 성능에 맞춰 금속 조성을 설계할 수 있어 고성능 촉매와 친환경 에너지 소재 개발이 가능할 것으로 기대된다"고 말했다.

한편 이번 연구에는 KAIST 윤지수 박사과정생과 스탠퍼드대 오진원(Jinwon Oh) 박사가 공동 제1 저자, 정 석좌교수와 스탠퍼드대 마테오 카르넬로 교수가 공동 교신저자로 참여했다. 연구 결과는 7일 국제 학술지 '사이언스(Science)'에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr