여러 금속 혼합해 나노입자 만들 때
넷 이상 섞으니 균일성 오히려 향상
KAIST-스탠퍼드대 연구진 첫 확인
다양한 금속 조합 소재 가능해질 듯
여러 금속을 섞어 만든 수소 생산 촉매용 나노입자가 기존 촉매보다 효율이 높음을 확인한 연구의 개념도. 한국과학기술원(KAIST) 제공
여러 금속을 섞으면 구조가 불안정해질 거란 산업계와 과학기술계의 통념이 뒤집혔다. 오히려 균일성이 향상되고 성능도 높아질 수 있다는 연구 결과가 나오면서, 정밀 설계가 필요한 첨단 소재 개발에 새로운 패러다임이 제시됐다는 평가가 나온다.
정희태 한국과학기술원(KAIST·카이스트) 교수와 마테오 카르넬로 미국 스탠퍼드대 화학공학과 교수 공동 연구팀은 여러 금속을 혼합해 나노미터(10억분의 1m) 크기의 입자를 만들 때 금속 종류가 많을수록 입자 구성이 더 균일해지는 현상을 최초로 입증했다고 밝혔다. 이 연구 성과는 국제학술지 '사이언스'에 7일(현지시간) 실렸다.
머리카락 굵기의 약 10만분의 1 만한 나노입자는 반도체, 친환경 에너지, 바이오 같은 첨단 산업 분야에 널리 쓰인다. 최근엔 나노입자가 필요한 성능을 내도록 하기 위해 여러 금속을 섞어 만드는 기술이 주목받고 있지만, 금속마다 화학반응 속도가 달라 나노입자 크기와 모양이 들쭉날쭉해지는 문제가 있다. 입자의 구성이 복잡해질수록 균일성을 잃는다는 게 정설이었다.
그러나 금속 종류를 네 가지 이상으로 늘리자 오히려 정반대 현상이 나타났다. 먼저 자리 잡은 금속 원소가 다음에 들어오는 원소의 결합을 돕는 '징검다리' 역할을 하며 안정적인 구조를 형성한다는 사실이 확인된 것이다.
연구팀은 이 현상을 응용하면 여러 금속이 섞인 나노 소재를 원하는 형태로 설계할 수 있을 걸로 예상했다. 연구실에서 다섯 가지 금속이 포함된 나노입자 촉매를 만들어 실험해보니, 암모니아를 분해해 수소를 생산하는 공정에 쓰이는 촉매(루테늄)보다 약 4배 높은 효율을 보였다. 나노입자 촉매는 섭씨 900도에 달하는 초고온 환경에서도 구조를 안정적으로 유지했다. 정 교수는 "다양한 금속 조합을 활용한 소재 개발이 촉진될 것"이라며 "반도체처럼 정밀 나노 소재가 필요한 정보기술(IT)이나 의료기기 산업에도 활용될 수 있다"고 강조했다.
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