포스텍(POSTECH)은 이인수 화학과 교수·통합과정 장선우 씨 연구팀이 안광진 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 교수 연구팀과 공동으로 2차원 실리카 나노 시트(2D-SiNS)의 모서리 간 상호작용을 제어해 축구공 모양의 조립체를 만드는 데 성공했다고 23일 밝혔다.
안정적이고 기능적인 2차원 나노 소재 개발에 단초를 제공할 이번 연구성과는 최근 화학 분야 국제 권위지인 '안게반테 케미(Angewandte Chemie)' 온라인판 표지(cover) 이미지로 선정됐다.
평면 구조로 인해 독특한 기계적·광학적 특성을 가진 2차원 나노 시트는 반도체 소자나 촉매, 센서 등 여러 분야에서 활용된다. 일반적으로 시트와 시트 사이에는 강한 인력이 작용해 면과 면이 맞닿은 구조가 형성된다. 이 경우 기계적인 안정성이 떨어져 촉매로서 다양한 기능을 구현하기 어려웠다.
연구팀은 2차원 나노 소재 '모서리-모서리' 조립 기술을 개발했다. 2D-SiNS는 표면 곡률이나 구조적인 특성에 따라서 전하 분포가 달라지는데, 보통 모서리 영역은 전하 분포 차이에 민감하게 반응한다. 연구팀은 이를 이용해 2D-SiNS 모서리 간 상호작용을 유도하는 데 성공했다. 기존 '평면-평면' 조립과 달리 모서리를 기준으로 한 조립 기술을 개발한 것이다.
이 기술로 연구팀은 속이 텅 빈 축구공 형태의 2D-SiNS 구조체를 조립했다. 실험 결과, 고온과 다양한 용매 등 극한 조건에서 기계적 안정성과 내구성이 우수했다. 또, 이 구조체는 나노 구조체가 의도치 않게 뭉치는 현상을 방지하고, 촉매 활성을 떨어뜨리는 코크 생성도 막았다.
구조적 특성으로 인해 표면적이 매우 커 촉매 물질로서 반응 효율을 높이고, 반응 물질들의 원활한 이동을 돕는 데도 유리했다. 특히, 고온에서 연속적인 반응을 통해 메탄과 이산화탄소로부터 수소와 일산화탄소를 생산하는 반응에서 촉매 지지체로 우수한 활성과 내구성을 보였다.
이인수 교수는 “나노 규모 소재의 조립에 대한 기본적인 이해뿐 아니라 안정적이고 기능적인 2차원 나노 소재 개발을 위한 새로운 길을 열었다”고 말했다.
한편, 이 연구는 한국연구재단의 리더연구자지원사업으로 진행됐다.
포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
