수 나노미터 밖 원자도 화학결합 좌우, 고성능 촉매 설계 혁신 기대

금속 표면 너머로 퍼지는 화학결합의 장거리 효과

금속 표면에 분자가 부착될 때, 결합 지점의 인접 원자뿐만 아니라 수 나노미터(㎚) 거리의 원자 구조가 화학결합의 강도를 변화시킨다는 사실이 입증됐다. 양자나노과학 연구단과 독일 막스플랑크 다학제과학연구소의 공동연구팀은 금속 표면에서 나타나는 화학결합의 장거리 전자 효과를 실험을 통해 규명했다고 30일 발표했다. 이번 연구 성과는 세계적인 권위를 가진 학술지 ‘사이언스(Science)’에 게재되며 학계의 주목을 받고 있다.

암모니아 제조나 연료 생산 등 다양한 산업 현장에서 화학반응을 가속하는 핵심 소재로 쓰이는 금속 촉매는 그동안 분자와 금속 사이의 결합이 주로 맞닿은 주변 원자들에 의해 결정된다고 여겨져 왔다. 멀리 떨어진 원자 구조가 전자에 영향을 줄 수 있다는 가능성은 제기되어 왔으나, 실제 결합 세기를 바꿀 만큼 유의미한 역할을 하는지는 불분명한 상태였다.

원자 배열 간격에 따라 달라지는 결합 에너지

연구팀은 백금 표면의 원자들이 계단식으로 배열된 구조를 제작한 뒤, 계단 사이의 간격을 조절하며 암모니아(NH3) 분자의 결합 세기를 정밀하게 측정하는 실험을 진행했다. 실험 결과, 분자가 결합하는 위치의 원자 구성이 동일하더라도 주변 계단까지의 거리에 따라 결합의 세기가 변하는 현상이 관찰됐다. 특히 이러한 원자 구조의 영향력은 분자의 종류에 따라 약 4~7㎚에 달했는데, 이는 원자 수십 개를 나란히 배치한 것과 맞먹는 거리다.

이 과정에서 측정된 결합 에너지의 차이는 최대 약 0.2전자볼트(eV)에 달했다. 이는 분자가 금속 표면에 얼마나 안정적으로 머무르는지를 결정짓는 유의미한 수치다. 연구진은 이러한 현상의 근본 원인이 금속 내부에 넓게 퍼져 있는 전자들의 상호작용 때문임을 밝혀냈다. 금속 내부의 전자들은 특정 원자에 국한되지 않고 넓은 영역에 분포하는데, 분자가 표면에 붙으면 분자의 전자와 금속의 전자가 상호작용하며 원거리의 구조적 특징까지 화학결합에 반영하게 되는 것이다.

새로운 이론 모델 ‘프런티어 오비탈-밴드’ 제시

연구팀은 이 복잡한 메커니즘을 설명하기 위해 ‘프런티어 오비탈-밴드 모델(Frontier Orbital-Band Model)’이라는 새로운 이론적 틀을 제시했다. 이 모델은 화학 분야의 분자 궤도 개념과 물리학의 전자띠 개념을 통합한 것이다. 분자마다 고유한 전자 상태를 지니고 있으며, 이것이 금속 내부의 서로 다른 전자 상태와 상호작용하기 때문에 동일한 금속 표면에서도 분자의 종류에 따라 장거리 영향력이 달라진다는 원리를 논리적으로 설명해낸다.

이번 연구는 기존 촉매 설계 과정에서 간과되었던 장거리 전자 효과를 정량적으로 확인했다는 점에서 학술적 가치가 높다. 촉매 표면의 원자 배치와 전자 구조를 통합적으로 고려하면 분자의 결합력을 더욱 정확히 예측할 수 있어, 차세대 촉매 소재 개발의 정밀도를 높일 수 있을 전망이다. 양자나노과학 연구단 그룹리더는 과거의 촉매 개발이 반복적인 실험과 시행착오에 의존했다면, 이제는 화학적 원리를 토대로 특성을 예측하고 설계하는 단계로 진입하고 있다며, 이번 성과가 효율적인 촉매 설계와 정교한 계산에 기여할 것이라고 강조했다.