연구성과

화학 이인수 교수팀, 나노 축구공, 2차원 소재 연구 골문을 흔들다

2024-01-25 147

[POSTECH · UNIST 공동 연구팀, 2차원 나노 시트 ‘모서리-모서리’ 조립 기술 개발]

지난주 아시안컵 바레인전에서 이강인 선수의 발끝을 떠난 공이 골문을 흔드는 순간, 전 국민이 열광했다. 세계를 놀라게 한 이 원더골처럼 최근 POSTECH·UNIST(울산과학기술원) 연구팀은 2차원 반도체 소재의 ‘모서리-모서리’ 조립을 통해 만든 축구공으로 학자들의 가슴을 뛰게 했다.

화학과 이인수 교수 · 통합과정 장선우 씨, UNIST 에너지화학공학과 안광진 교수 공동 연구팀은 2차원 실리카 나노 시트(이하 2D-SiNS*1)의 모서리 간 상호작용을 제어해 축구공 모양의 조립체를 만드는 데 성공했다. 이번 연구는 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 인력(반데르발스*2)이 작용해 면과 면이 맞닿은 구조가 형성되는데, 이 경우 기계적인 안정성이 떨어져 촉매로서 다양한 기능을 구현하기 어려웠다.

연구팀은 이번 연구를 통해 2차원 나노 소재 ‘모서리-모서리’ 조립 기술을 개발했다. 2D-SiNS의 경우, 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(coke)*3 생성도 막았다.

그리고, 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.


이번 연구를 이끈 이인수 교수는 ”나노 규모 소재의 조립에 대한 기본적인 이해뿐 아니라 안정적이고 기능적인 2차원 나노 소재 개발을 위한 새로운 길을 열어 기쁘다“는 말을 전했다.

한편, 이 연구는 한국연구재단의 리더연구자지원사업의 지원으로 진행됐다.


1. 2D-SiNS
2-dimension Silica Nano Sheet

2. 반데르발스(van der Waals)
분자간(때로는 원자나 이온간에도 작용)에 작용하는 인력 중 가장 보편적인 인력을 말한다.

3. 코크(coke)
탄소를 주성분으로 하는 고체 물질로, 촉매 반응에서 발생할 수 있는 부산물 중 하나다.