한국 포함 3개국 연구진, 나노입자 자철광 실시간 관찰

[이데일리 강민구 기자] 한국, 일본, 영국 연구진이 협력해 나노입자 자철광의 산화과정을 실시간으로 관찰했다. 이 연구에서 개발한 방법론은 다양한 나노입자의 산화·환원과정을 알아내는데 쓸 수 있다.

박제근 서울대 교수.(사진=서울대)

박제근 서울대 물리천문학부 교수 연구팀은 현택환 서울대 화학공학과 교수, 이순칠 KAIST 물리학과 교수, 이순칠 교수, 유이치 시마카와 일본 교토대 화학과 교수, 폴 앳필드 영국 에딘버러대 화학과 교수와 협력해 이를 실시간으로 규명하고, 연구 결과를 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’에 4일자로 발표했다.

자철광은 자연에서 가장 흔한 철 산화물이다. 금속·절연체 상전이를 125 K에서 갖는 Verwey 상전이가 발생하는데 지난 80년 동안 연구에도 제대로 풀리지 않았다.

자철광 나노입자는 의학이나 화학공학 분야에서 유용하기 때문에 계속 관심을 받았지만 이를 쓰려면 나노입자 자철광의 화학반응과 산화·환원 과정을 이해해야 한다.

연구팀은 나노입자 자철광이 아주 느린 산화과정을 거친다는 것을 실험적으로 발견하고, 이를 이용해 상전이를 연구했다. 자철광 나노입자가 산화를 해 가면서 Verwey 상전이에 아주 특이한 변화가 생긴다는 것을 실험과 이론으로 규명했다.

Verwey 상전이의 도핑 효과는 Verwey 상전이 온도가 도핑의 양에 따라 선형적으로 줄어든다고 알려졌다. 연구팀은 나노입자 산화에서는 이런 관계가 보이지 않고, 80K의 최소 상전이 온도가 된 이후에 다시 95K 상전이 온도의 상태로 돌아간다는 것을 관측했다. 통상적이지 않은 상전이 온도의 변화가 산화를 통해 유도된 나노입자의 변형과 도핑의 균질성과 관련이 있다는 것도 확인했다.

박제근 교수는 “나노입자의 산화과정을 완전히 이해한 첫 사례로 나노과학 전반에 파급효과가 크다”며 “이번에 발견된 자철광 나노입자의 아주 느린 산화를 이용한 방법은 다양한 나노입자에 적용할 수 있어서 나노과학의 새로운 지평을 열었다”고 말했다.