- IBS·독일 공동연구팀, 금속 촉매 결합 세기 바꾸는 장거리 효과 확인

- 화학결합 이론 한계넘어 새 예측모델 제시, 국제학술지 ‘사이언스’ 게재

분자가 금속 표면에 결합할 때 전자적 반응이 결합 지점 주변을 넘어 표면을 따라 퍼지는 모습을 표현한 모식도. 금속의 전자 바다가 분자의 존재에 반응하며 결합의 영향이 넓은 영역으로 확장될 수 있음을 보여준다.[IBS 제공]
분자가 금속 표면에 결합할 때 전자적 반응이 결합 지점 주변을 넘어 표면을 따라 퍼지는 모습을 표현한 모식도. 금속의 전자 바다가 분자의 존재에 반응하며 결합의 영향이 넓은 영역으로 확장될 수 있음을 보여준다.[IBS 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 분자가 금속 표면에 달라붙을 때 바로 주변 원자뿐 아니라 수 나노미터(㎚·10억분의 1m) 떨어진 원자 구조까지 화학결합의 세기에 영향을 미친다는 사실이 확인됐다. 기존 화학결합 이론의 한계를 넘어 고성능 촉매를 보다 정밀하게 설계할 수 있는 길이 열릴 것으로 기대된다.

과학기술정보통신부와 기초과학연구원(IBS)은 양자나노과학 연구단과 독일 막스플랑크 다학제과학연구소 공동연구팀이 금속 표면에서 발생하는 화학결합의 장거리 전자 효과를 실험적으로 규명했다고 30일 밝혔다. 이번 연구결과는 세계적 국제학술지 ‘사이언스(Science)’ 30일자에 게재됐다.

금속 촉매는 화학반응을 촉진하는 핵심 물질이다. 화학비료의 원료인 암모니아 생산부터 연료 제조까지 다양한 산업에서 활용된다.

그동안 과학계에서는 분자와 금속 사이의 결합이 주로 직접 맞닿아 있는 주변 원자들에 의해 결정된다고 여겼다. 멀리 떨어진 원자 구조가 전자에 영향을 미칠 수 있다는 사실은 알려져 있었지만, 실제 화학결합의 세기에는 별다른 영향을 주지 않는 것으로 받아들여졌다.

연구팀은 원자들이 계단처럼 배열된 백금 표면을 제작하고 계단 사이의 간격을 달리하면서 암모니아(NH₃), 일산화탄소(CO), 일산화질소(NO) 분자의 결합 세기를 정밀하게 측정했다.

그 결과 분자가 달라붙는 위치의 원자 구조가 비슷하더라도 주변 계단까지의 거리에 따라 결합 세기가 달라지는 현상을 확인했다.

특히 멀리 떨어진 원자 구조의 영향이 미치는 거리는 분자 종류에 따라 약 4~7㎚에 달했다. 원자 수십 개를 나란히 늘어놓은 정도의 거리다.

결합 에너지 차이는 최대 약 0.2전자볼트(eV)로 나타났다. 이는 분자가 금속 표면에 얼마나 안정적으로 붙어 있는지를 변화시킬 수 있는 수준이다.

연구팀은 이러한 현상의 원인이 금속 내부에 넓게 퍼져 있는 전자들의 상호작용에 있다는 사실도 밝혀냈다.

금속 내부의 전자들은 특정 원자에 고정되지 않고 넓은 영역에 퍼져 있다. 분자가 금속 표면에 달라붙으면 분자의 전자와 금속 내부의 전자들이 상호작용하면서 멀리 떨어진 원자 구조의 영향까지 화학결합에 반영되는 것이다.

즉 화학결합은 분자가 직접 맞닿은 원자들만의 문제가 아니라 금속 표면의 넓은 영역에 걸친 전자적 상호작용의 결과라는 설명이다.

드미트리 보로딘 IBS 양자나노과학 연구단 그룹리더.[IBS 제공]
드미트리 보로딘 IBS 양자나노과학 연구단 그룹리더.[IBS 제공]

연구팀은 이 같은 현상을 설명하기 위해 새로운 이론 모델인 ‘프런티어 오비탈-밴드 모델(Frontier Orbital-Band Model)’도 제시했다.

이 모델은 화학의 분자 궤도 개념과 물리학의 전자띠 개념을 결합한 것이다. 분자마다 전자 상태가 다르고 금속 내부의 서로 다른 전자 상태와 상호작용하기 때문에 동일한 금속 표면에서도 분자 종류에 따라 장거리 영향이 달라진다는 원리를 설명한다.

이번 연구는 기존 촉매 설계에서 충분히 고려하지 않았던 장거리 전자 효과를 정량적으로 확인했다는 점에서 의미가 크다.

특히 촉매 표면의 원자 배열과 전자 구조를 함께 고려하면 분자의 결합 세기를 보다 정확하게 예측할 수 있어 새로운 촉매 소재 개발에도 활용될 것으로 기대된다.

드미트리 보로딘 IBS 양자나노과학 연구단 그룹리더는 “과거 촉매 개발은 오랜 실험과 시행착오에 의존해 왔지만 이제는 화학반응의 원리를 바탕으로 원하는 특성을 예측하고 설계하는 방향으로 나아가고 있다”며 “이번 연구가 보다 정교한 계산과 효율적인 촉매 설계에 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.


nbgkoo@heraldcorp.com