섞을수록 정밀해진다…나노입자 합성의 역설 최초 규명

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 여러 금속을 섞으면 오히려 구조가 망가진다는 나노소재 분야의 상식을 뒤짚는 연구 결과가 나왔다.

한국과학기술원(KAIST)은 생명화학공학과 정희태 석좌교수 연구팀이 미국 스탠퍼드대학교 마테오 카르넬로 교수팀과 공동으로 여러 금속을 섞을수록 오히려 더 균일한 나노입자가 형성되는 역설적 현상을 최초로 규명했다고 8일 밝혔다.

나노입자는 반도체, 친환경 에너지, 바이오 등 다양한 산업에서 핵심 소재로 활용된다. 최근에는 성능 향상을 위해 여러 금속을 섞는 다성분 구조로 발전하고 있다.

그러나 각 원소의 반응 속도가 달라 구성 원소가 많아질수록 입자의 크기와 모양이 들쭉날쭉해져 정밀 제어가 어렵다.

연구팀은 한계를 극복할 단서로 금속 원소의 종류가 늘어날수록 입자의 성분이 한 방향으로 모이며 더 균일해지는 '성분 집중'에 주목했다.

연구 결과, 서로 다른 금속 원자들이 경쟁적으로 결합하는 과정에서 먼저 자리 잡은 원자가 이후 들어오는 원자가 더 쉽게 붙도록 돕는 징검다리 역할을 한다는 사실을 확인했다. 이로 인해 원자들이 무작위로 섞이지 않고 층층이 질서 있게 쌓이며 안정적인 구조를 형성한다.

그동안 나노소재 합성에서 문제로 여겨졌던 복잡한 화학 반응 환경이 오히려 원자들이 정돈된 구조를 이루도록 돕는다는 새로운 원리가 밝혀진 것이다. 이는 여러 금속이 섞인 복잡한 나노소재도 원하는 형태로 정밀하게 설계할 수 있는 가능성을 처음으로 제시한 성과로 평가된다.

이 원리를 실제로 검증하기 위해 5가지 금속이 포함된 다성분 나노입자 촉매를 제작·실험한 결과, 암모니아를 분해해 수소를 생산하는 반응에서 가장 보편적인 루테늄(Ru) 촉매보다 약 4배 높은 효율을 보였다.

연구팀은 수소를 암모니아 형태로 저장·운송한 뒤 다시 수소를 추출하는 데 활용하는 것을 우선 목표로 현재 글로벌 기업과 성능 검증을 진행 중이다.

정 교수는 "이 원리는 고성능 촉매와 친환경 에너지 소재 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.

KAIST 윤지수 박사과정생과 스탠퍼드대학교 오진원 박사가 공동 제1저자, 정 교수와 마테오 카르넬로 교수가 공동 교신저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제학술지 사이언스(Science)에 게재됐다. 독일 석유화학사 BASF와 서울대학교도 연구에 동참했다.

연구는 한국연구재단의 중견연구, 에너지기술평가원의 에너지인력양성사업, BASF의 지원을 받아 수행됐다.

jongseo12@news1.kr