"복잡할수록 더 균일하게 만들어져"…KAIST, 나노입자 역설 최초로 규명

나노소재 분야의 기존 상식을 뒤집는 연구 결과가 나왔다. 여러 금속을 섞으면 구조가 불안정해진다고 여겨졌지만 오히려 금속 종류가 많을수록 더 균일한 나노입자가 만들어진다는 사실이 처음 밝혀진 것이다.

KAIST는 정희태 생명화학공학과 석좌교수 연구팀이 미국 스탠퍼드 대학 마테오 카르넬로 교수팀과 공동으로 여러 금속이 섞일수록 입자 구조가 더 균일해지는 ‘성분 집중’ 현상을 처음 규명했다고 8일 밝혔다. 이번 연구는 윤지수 KAIST 박사과정생과 오진원 스탠퍼드대학교 박사가 공동 제1저자로 참여했으며 연구결과는 국제 학술지 사이언스에 전날(7일) 게재됐다.

나노입자는 반도체와 배터리, 수소 생산 촉매 등에 쓰이는 초미세 소재다. 최근에는 성능을 높이기 위해 여러 금속을 동시에 넣는 다성분 구조 연구가 활발하다. 하지만 금속 종류가 많아질수록 반응 속도가 달라 구조가 불균일해지는 문제가 있었다. 업계에서는 정밀 제어가 어려운 분야로 꼽혀왔다.

연구팀은 금속 원자들이 무작위로 섞이는 대신 서로를 돕는 방식으로 안정적인 구조를 만든다는 점을 확인했다. 먼저 자리 잡은 원자가 이후 들어오는 원자가 더 쉽게 붙도록 돕는 방식이다. 연구진은 이를 통해 복잡한 조성이 오히려 균일한 구조 형성에 유리할 수 있다는 점을 확인했다고 설명했다.

연구팀은 이 원리를 활용해 금속 5종이 들어간 다성분 나노입자 촉매도 제작했다. 이 촉매는 암모니아를 분해해 수소를 생산하는 실험에서 기존 산업용 루테늄(Ru) 촉매보다 약 4배 높은 성능을 냈다. 고온 환경에서도 안정성을 유지했다.

정 교수는 “복잡한 조성의 나노소재도 원하는 구조로 정밀하게 설계할 수 있는 가능성을 제시한 연구”라며 “수소 생산과 이산화탄소 전환 등 친환경 에너지 공정용 고성능 촉매 개발에 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.

유지희 기자 keephee@hankyung.com