나노입자 역설 규명···"복잡할수록 더 잘 만들어진다"

[이데일리 강민구 기자] 한국과 미국 연구진이 나노소재 분야의 오랜 상식을 뒤집는 연구 결과를 제시했다. 여러 금속을 섞으면 오히려 구조가 망가진다는 기존 인식과 달리 복잡한 조성이 더 균일한 나노입자(머리카락 굵기의 약 10만 분의 1 수준의 매우 작은 입자)를 만든다는 사실로 차세대 에너지·촉매 기술에 전환점을 제시했다.

한국과학기술원(KAIST)은 정희태 생명화학공학과 석좌교수 연구팀이 마테오 카르넬로 미국 스탠퍼드대 교수팀과 여러 금속을 섞을수록 오히려 더 균일한 나노입자가 형성되는 ‘역설적 현상’을 규명했다고 8일 밝혔다.

KAIST와 미국 스탠포드대 연구진.(왼쪽부터)윤지수 KAIST 생명화학공학과 박사과정생, 오진원 스탠포드대 재료공학과 박사, 정희태 KAIST 생명화학공학과 석좌교수, Matteo Cargnello 스탠포드대 화학공학과 교수.(사진=KAIST)

나노입자는 반도체, 친환경 에너지, 바이오 등 다양한 산업에서 핵심 소재로 활용된다. 최근에는 성능 향상을 위해 여러 금속을 섞는 ‘다성분’ 구조로 발전하고 있다. 그러나 구성 원소가 많아질수록 각 원소의 반응 속도가 달라 입자 크기와 모양이 들쭉날쭉해지는 문제가 발생해 정밀 제어가 어려웠다.

연구팀은 이를 극복하기 위해 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 하는 것으로 나타났다. 이로 인해 원자들이 무작위로 섞이는 것이 아니라, 층층이 질서 있게 쌓이며 안정적인 구조를 형성하게 된다.

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

연구팀은 이 원리를 실제로 검증하기 위해 5가지 금속이 포함된 다성분 나노입자 촉매를 제작했다. 암모니아를 분해해 수소를 생산하는 반응을 분석한 결과, 현재 산업 현장에서 가장 널리 사용되는 재료인 루테늄 촉매보다 약 4배 높은 효율을 보였다.

정희태 KAIST 석좌교수는 “나노입자 합성 과정에서 예상치 못한 ‘역설적 현상’을 발견하고 그 작동 원리를 규명했다는 점에서 의미가 크다”며 “이 원리를 활용하면 원하는 성능에 맞춰 금속 조성을 설계할 수 있어 수소 생산, 이산화탄소 전환 등 에너지 공정의 효율을 높이는 고성능 촉매와 친환경 에너지 소재 개발에 활용할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘사이언스(Science)’에 7일자로 게재됐다.