"화학결합은 국소적" 통념 깼다…10나노 밖에서도 영향

독일 막스플랑크 연구소와 기초과학연구원(IBS) 공동 연구팀이 금속 표면의 화학결합이 분자 주변 원자에만 국한되지 않고 수 나노미터(nm)에 걸쳐 영향을 미친다는 사실을 규명했다.

29일(현지시간) 막스플랑크 다학제 과학 연구소(MPI-NAT)와 기초과학연구원(IBS) 양자나노과학 연구단(QNS)은 이같은 연구 결과를 국제학술지 '사이언스'에 발표했다고 밝혔다. 지금까지 화학결합은 분자가 표면에 붙을 때 주변 몇 개의 원자와만 상호작용하는 국소적 현상으로 여겨졌다.

연구팀은 규칙적인 간격으로 원자 계단을 가진 백금 표면을 이용해 실험을 진행했다. 이들은 암모니아(NH₃), 일산화탄소(CO), 산화질소(NO) 분자가 표면에서 얼마나 빨리 떨어지는지 측정해 결합 에너지를 계산했다.

그 결과, 특정 원자 계단에서의 분자 결합 강도가 최대 10나노미터 떨어진 다른 계단의 위치에 따라 변하는 것으로 나타났다. 이는 화학결합의 영향이 예상보다 훨씬 멀리까지 미친다는 것을 의미한다.

이러한 장거리 효과는 분자 종류에 따라 다르게 나타났다. 암모니아는 약 7나노미터, 일산화탄소는 약 6나노미터, 산화질소는 약 4나노미터 거리까지 영향을 받았다.

연구팀은 분자화학의 '최전방 분자궤도함수 모델'과 고체물리학의 '전자밴드 모델'을 결합한 이론 모델을 개발해 이 현상을 설명했다. 분자마다 금속 내 다른 전자 상태와 결합하며, 이 전자 상태가 금속 전체에 퍼져 있어 멀리 떨어진 구조 변화에도 영향을 받는다는 것이다.

연구팀은 백금 대신 팔라듐을 사용했을 때 장거리 효과가 훨씬 약해지는 것을 확인했다. 이는 금속을 통해 전자 상태가 얼마나 강하게 확장되는지에 따라 효과가 달라진다는 이론을 뒷받침한다.

이번 발견은 나노 촉매 연구에 중요한 의미를 가진다. 촉매로 쓰이는 백금 나노입자는 크기가 수 나노미터에 불과해, 입자 전체의 구조가 단일 화학결합에 영향을 줄 수 있기 때문이다.

연구팀은 이번 결과가 국소적인 원자 배열만 고려했던 기존 촉매 모델이 불완전할 수 있음을 시사한다고 설명했다. 더 넓은 범위의 전자 구조를 고려하면 나노 촉매를 이해하고 설계하는 데 도움이 될 것으로 기대된다.