멀리 떨어진 원자에서 촉매 설계의 새 단서 찾았다

한국과 독일 연구진이 분자에 바로 인접한 영역을 훨씬 벗어나 있는 원자들도 분자가 금속 촉매에 결합하는 세기를 바꿀 수 있음을 밝혀냈다. 이번 발견은 비료 생산 등 여러 산업에서 화학반응을 촉진하는 촉매를 설계할 때 고려해야 할 요소를 하나 더 제시한다.

한국 기초과학연구원과 독일 막스플랑크 다학제과학연구소 공동 연구진은 연구 결과를 Science에 발표했다.

영향이 얼마나 멀리까지 미치는지 확인하기 위해 연구진은 원자 규모의 미세한 계단이 있는 백금 표면을 만들고 계단 사이의 간격을 달리했다. 그런 다음 암모니아, 일산화탄소, 일산화질소 분자가 표면에 얼마나 강하게 결합하는지 측정했다.

분자가 붙는 지점의 원자 배열이 비슷해도 인접한 계단까지의 거리가 달라지면 결합 세기가 변했다. 이 효과는 수 나노미터에 걸쳐 나타났다. 1나노미터는 10억분의 1미터에 불과하지만, 수 나노미터는 원자 수십 개가 나란히 들어갈 수 있는 거리다.

연구진은 금속 전체에 퍼져 있는 전자가 이러한 효과를 일으킨다는 사실을 밝혀냈다. 이 전자들 덕분에 분자는 바로 주변보다 더 넓은 영역과 상호작용할 수 있다. 연구진은 분자마다 반응이 다른 이유를 설명하기 위해 화학과 물리학을 결합한 모델도 개발했다.

이번 연구가 아직 성능이 더 뛰어난 촉매를 만들어낸 것은 아니다. 대신 유용한 특성을 예측하고 시행착오를 줄여 촉매를 설계하는 데 도움이 될 계산의 기반을 한층 탄탄하게 마련했다.