한국과학기술원(KAIST)은 생명화학공학과 정희태 석좌교수 연구팀이 미국 스탠퍼드대 마테오 카르넬로 교수팀과 공동으로 여러 금속을 섞을수록 오히려 더 균일한 나노입자가 형성되는 '역설적 현상'을 최초로 규명했다고 8일 밝혔다.
나노입자(머리카락 굵기의 약 10만분의 1 수준)는 반도체·친환경 에너지·바이오 등 다양한 산업에서 핵심 소재로 활용된다.
연구팀은 금속 원소의 종류가 늘어날수록 입자 성분이 한 방향으로 모이며 더 균일해지는 '성분 집중(여러 금속이 섞일수록 자연스럽게 정리되는 현상)'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 섞이는 것이 아니라 층층이 질서 있게 쌓이며 안정적인 구조를 형성하게 된다.
여러 금속이 섞인 복잡한 나노소재도 원하는 형태로 정밀하게 설계할 수 있는 가능성을 처음으로 제시한 성과로 평가된다고 연구팀은 설명했다.
연구팀은 이 원리를 실제로 검증하기 위해 5가지 금속이 포함된 다성분 나노입자 촉매를 제작했다.
실험 결과, 암모니아를 분해해 수소를 생산하는 반응에서 암모니아가 쉽게 분해되지 않아 높은 온도와 빠른 반응을 유도하기 위한 촉매가 필수적인 가운데 현재 산업 현장에서 가장 널리 사용되는 기준 재료인 루테늄(Ru) 촉매보다 약 4배 높은 효율을 보였다.
정희태 KAIST 석좌교수는 "이 원리를 활용하면 원하는 성능에 맞춰 금속 조성을 설계할 수 있어 수소 생산, 이산화탄소 전환 등 에너지 공정 효율을 높이는 고성능 촉매와 친환경 에너지 소재 개발에 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.
이번 연구 결과는 세계 최고 권위 학술지인 사이언스에 7일 게재됐다.