이동일·심은지 교수 공동 연구팀, ‘초원자 속 초원자’ 입자의 존재 최초 입증

화학 분야 세계적 학술지 ‘Angewandte Chemie’ 속표지 논문 게재

[사진. (왼쪽부터) 심은지 교수, 이동일 교수, 송수환 박사, 한상명 통합과정생, 이한석 통합과정생]

화학과 이동일 교수(제1저자: 이한석 통합과정생, 한상명 통합과정생)와 심은지 교수(공동 제1저자: 송수환 박사) 공동 연구팀은 ‘초원자 속 초원자’ 나노입자의 존재를 실험과 계산화학을 통해 세계 최초로 입증했다. 

초원자(superatom)란 주기율표 원소의 전자구조와 성질을 모방할 수 있는 화합물로 원소의 종류를 3차원으로 확장할 있는 새로운 개념의 물질로 주목받아 왔다. 예를 들면, 텅스텐-탄소(WC) 화합물이 연료전지, 자동차 배기가스 촉매 등으로 널리 활용되고 있는 백금(Pt)과 유사한 전자구조를 가지고 있어 희귀금속 백금의 대체 물질로 활발한 연구가 진행돼 왔다. 하지만 대부분의 초원자는 불안정해 진공에서 매우 짧은 시간 동안만 존재하는 것으로 알려져 있다.

이동일 교수팀은 은(Ag) 원자 25개로 구성된 Ag25나노클러스터 입자가 네온(Ne)과 같은 비활성 기체와 유사한 전자구조를 가지는 안정한 초원자 입자라는 사실에 주목하고 새로운 초원자를 나노클러스터 초원자 속에 안정화시킬 수 있는지를 탐색했다. 로듐(Rh) 이온이 존재하는 환원 분위기 속에서 Ag25 나노클러스터 입자를 정교하게 합성해 로듐-수소(RhH) 초원자가 Ag25 입자 중심 금속을 치환한 ‘초원자 속 초원자’ RhH@Ag24 입자의 합성이 가능함을 실험적으로 입증했다. 

심은지 교수팀은 로듐-수소가 팔라듐(Pd)과 유사한 전자구조를 가지는 초원자임을 밀도범함수 이론을 이용한 계산을 통해 밝혀냈다. 

추가로 연구팀은 팔라듐으로 치환된 Pd@Ag24 입자를 합성해 그 결정구조, 전자구조 및 광학 특성을 비교함으로써, RhH@Ag24 입자가 Pd@Ag24 입자와 유사한 구조와 성질을 가지는 ‘초원자 속 초원자’임을 확인했다.

[그림. (오른쪽) ‘초원자 속 초원자’ RhH@Ag24의 원자구조: 파란색은 은(Ag), 붉은색은 로듐(Rh), 하늘색은 수소(H) 원자를 나타낸다. 

(왼쪽) 로듐-수소 초원자는 팔라듐과 유사한 전자구조를 갖는다.]

이동일 교수는 “초원자 속 초원자 입자의 존재를 최초로 입증한 연구 결과로, 앞으로 다양한 ‘초원자 속 초원자’ 입자의 합성을 통해 기존에 없었던 새로운 물성을 갖는 입자의 개발이 기대된다.”며 연구의 의의를 설명했다. 

본 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 Carbon-to-X 기술 개발 사업의 지원을 받아 수행됐으며, 화학 분야 세계적 학술지 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie, IF 15.336)’의 속표지 논문으로 10월 4일 게재됐다. 

논문정보