나노소재 분야 오랜 상식을 뒤집는 연구 결과가 나왔다. 여러 금속을 섞으면 오히려 구조가 망가진다는 기존 인식과 달리, 복잡한 조성이 더 균일한 나노입자를 만든다는 사실이 처음으로 밝혀졌다. 이는 차세대 에너지·촉매 기술에 새로운 전환점이 될 전망이다.
한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 정희태 생명화학공학과 석좌교수팀이 마테오 카르넬로 미국 스탠퍼드대 교수팀과 여러 금속을 섞을수록 오히려 더 균일한 나노입자가 형성되는 '역설적 현상'을 최초로 규명했다고 8일 밝혔다.
나노입자는 최근 성능 향상을 위해 여러 금속을 섞는 '다성분' 구조로 발전하고 있다. 그러나 구성 원소가 많아질수록 각 원소 반응 속도가 달라 입자 크기·모양이 들쭉날쭉해지는 문제가 발생, 정밀 제어 문제가 난제로 떠올랐다.
연구팀은 이런 한계를 극복할 단서로, 금속 원소 종류가 늘어날수록 입자 성분이 한 방향으로 모이며 더 균일해지는 '성분 집중'에 주목했다.
연구 결과, 먼저 자리 잡은 원자가 이후 들어오는 원자가 더 쉽게 붙도록 돕는 '징검다리' 역할을 한다는 사실을 확인했다. 원자들이 무작위로 섞이는 것이 아니라, 질서 있게 쌓이며 안정적인 구조를 형성하게 된다.
이는 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. 그 결과 암모니아를 분해해 수소를 생산하는 반응에서 현재 산업 현장에서 가장 널리 사용되는 루테늄 촉매보다 약 4배 높은 효율을 보였다.
정희태 KAIST 석좌교수는 “이번 연구는 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 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구는 KAIST 윤지수 박사과정생과 스탠퍼드대 오진원 박사가 공동 제1저자로 참여했으며, 정희태 석좌교수와 마테오 카르넬로 교수가 공동 교신저자로 연구를 이끌었다. BASF(Badische Anilin- & Soda-Fabrik)와 서울대도 공동 연구에 참여했다. 연구 결과는 사이언스에 5월 7일 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
