기존 학설 뒤엎은 금속 촉매의 새로운 작동 원리
기초과학연구원(IBS) 양자나노과학연구단과 독일 막스플랑크 다학제과학연구소의 공동 연구진은 금속 촉매가 작동하는 방식에 있어 새로운 물리적 원리를 실험을 통해 밝혀냈다고 30일 발표했다. 해당 연구 결과는 세계적인 권위를 가진 학술지 '사이언스'에 게재되며 그 가치를 인정받았다.
금속 촉매는 화학 반응의 효율을 높이는 물질로, 현대 산업의 핵심인 암모니아 합성 기술의 근간을 이룬다. 질소 분자는 결합력이 매우 강해 분해하기 까다롭지만, 철(Fe) 촉매를 사용하면 질소 분자가 표면에 흡착될 때 전자가 이동하며 내부 결합이 끊어지게 된다. 이렇게 분해된 질소 원자가 수소 원자와 만나 암모니아가 생성되는 원리다. 이 과정에서 분자가 금속 표면에 얼마나 강하게 달라붙는지를 결정하는 '결합 세기'는 화학 반응의 성패를 가르는 핵심 요소다.
그간의 학계 이론은 분자가 금속과 맞닿은 아주 인접한 원자들과의 상호작용만을 중요하게 다뤄왔다. 멀리 떨어진 영역의 전자가 영향을 줄 수 있다는 가설은 존재했으나, 이를 실험적으로 증명하는 데는 한계가 있었다. 하지만 이번 연구를 통해 분자와 표면 간 결합을 형성하는 전자가 약 100Å(10억분의 1cm)라는 상당한 범위에 걸쳐 퍼져 있다는 사실이 최초로 입증되었다. 이는 분자 주변의 국소적인 환경만 고려하던 기존의 틀을 완전히 깨뜨리는 발견이다. 드미트리 보로딘 그룹리더는 이러한 에너지 변화가 분자 단위의 세계에서는 매우 거대한 변동을 일으킬 수 있는 수준이라고 설명했다.
독일 떠나 한국에서 일궈낸 학문적 결실
이번 성과는 독일 괴팅겐 대학교에서 박사후연구원 과정을 마친 드미트리 보로딘 그룹리더가 코로나19로 인해 국경이 폐쇄되었던 시기에 한국행을 결심하며 거둔 결실이다. 보로딘 교수는 단순한 방문 연구를 넘어 직접 실험을 수행하며 통찰을 얻기 위해 한국을 선택했다고 밝혔다. 그는 직접 문제를 해결하며 연구를 수행해 온 과정이 이번 성과로 이어졌다고 덧붙였다.
안드레아스 하인리히 양자나노과학연구단 단장은 보로딘 리더가 물리학과 화학의 경계를 넘나들며 전형적인 연구자의 틀을 깨뜨렸다고 평가했다. 하인리히 단장은 연구단의 구성이 한국인과 외국인이 절반씩 이루어져 있음을 언급하며, 연구자들이 한국에서 쌓은 역량이 국내 산업계에 기여할 수 있도록 교육하는 것이 연구단의 중요한 목표라고 강조했다. 이번 발견으로 인해 향후 금속 촉매 연구는 분자 주변의 좁은 영역을 넘어 더 넓은 공간적 범위를 고려하는 방향으로 재편될 전망이다.