자체 개발한 '원자 분해능 전자토모그래피 기술' 이용해 원자 구조 확인
세밀하게 구조 살펴볼 수 있어 매우 높은 정밀도 보여
(내외방송=정지원 과학전문 기자) 지금까지 파악하기 어려웠던 '코어-쉘 경계면 구조'의 원리가 규명돼 원자를 3차원으로 샅샅이 들여다볼 수 있을 전망이다.
KAIST는 3일 '내외방송'에 보낸 자료에서 "양용수 물리학과 교수와 한상우 화학과 교수, 유승화 기계공학과 교수 공동연구팀이 한국기초과학지원연구원과 한국화학연구원, 미국 로런스 버클리 국립연구소와 영국 버밍엄 대학교와의 국제 협력 연구를 통해 '팔라듐-백금 코어-쉘 구조 나노입자'의 3차원 계면 구조와 그 특성을 규명했다"고 밝혔다.
코어-쉘 구조 나노입자는 서로 다른 물질로 이뤄진 코어(알맹이)와 쉘(껍데기)이 맞붙어 합성된 물질이다.
코어와 쉘의 경계면에서 두 물질 원자 간 간격 차이가 발생해 구조 변형이 일어나는데, 이를 제어하면 나노입자의 다양한 성질들을 변화시킬 수 있다.
연구팀은 자체 개발한 '원자 분해능(두 점 사이의 거리) 전자토모그래피 기술'을 이용해 팔라듐과 백금으로 이뤄진 코어-쉘 구조 나노입자의 3차원 계면 원자 구조를 최초로 규명했다.
병원에서 인체 내부를 엑스레이 CT로 촬영하는 것처럼 이 기술을 이용하면 다양한 각도에서 물질의 2차원 사진을 얻을 수 있어 3차원으로 재구성할 수 있다.
재구성된 3차원 원자 구조는 1m/1조 간격으로 매우 세밀하게 관찰 가능해 높은 정밀도를 보인다.
연구팀은 이 구조를 통해 나노입자 내부의 코어-쉘 경계면의 구조를 단일 원자 단위로 파악할 수 있었고, 원자들의 구조 변형에 대한 3차원적인 지도를 작성해 해석했다.
이를 통해 팔라듐-백금 코어-쉘 나노입자 표면에 분포하는 각각의 원자들의 촉매 활성도를 규명했으며 적절한 변형이 가해질 경우 촉매 활성도를 크게 높일 수 있다는 것이 밝혀졌다.
또, 연구팀은 이 지도를 통해 탄성체 성질이 코어-쉘 나노입자뿐만 아니라 단일 원자 수준에서도 일어난다는 것을 발견했으며 이론적으로만 예측됐던 경계면과 표면에서의 구조 변형도에 대한 상관성도 정량적으로 해석했다.
특히, 이 기술을 활용해 얻은 3차원 원자 구조 정보는 실제 물질의 특성과 직접적으로 연결될 수 있다는 것을 발견했다는 점에서 의의가 크다고 평가받는다.
양용수 교수는 "이 연구는 그동안 2차원적인 분석에서 벗어나 원자 하나하나까지 3차원적으로 들여다본다는 완전히 새로운 시각을 제시한다"며 "이는 각각의 원자를 제어하는 사전적 설계를 통해 물질의 촉매 특성뿐만 아니라 구조와 연관된 모든 특성을 원하는 대로 최적화할 가능성을 보여준다"고 말했다.
조혜성 물리학과 석박사통합과정이 제1저자로 참여한 이 연구는 삼성미래기술육성재단의 지원을 받아 수행됐으며 국제학술지인 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 지난달 10일 게재됐다(논문명: Direct strain correlations at the single-atom level in three-dimenstional core-shell interface structures).
