우리 학교 EEWS대학원 오사무 테라사키 교수 연구팀이 메조포러스 준결정을 합성하는 데 성공하고 준결정 성장 과정에 대한 새로운 이론을 제시했다. 테라사키 교수팀이 실리카를 이용해 합성한 메조포러스 준결정은 12각형 구조인데, 이 같은 구조를 합성한 것은 세계 최초다. 이번 연구는 스웨덴 스톡홀름대학과 공동으로 수행되었으며, 세계 최고 권위 학술지 <네이처> 7월 호에 게재되었다.

새롭게 발견된 준결정 구조

결정구조를 가진 물질은 원자 배치가 주기적으로 나타난다. 2차원에서 주기적인 구조가 나타나는 결정을 2차원 결정이라고 하고, 3차원에서 나타나는 결정은 3차원 결정이라고 한다. 여태까지 학자들은 결정구조로 되어 있는 물질은 모두 2차원 결정과 3차원 결정으로 나눌 수 있으며, 그 외에 원자 배치에 규칙성이 없는 물질은 비결정 구조라고 생각했다. 그러나 최근 3차원에서는 불규칙한 구조로 되어 있으나 더 높은 차원에서는 규칙적인 구조로 되어 있는 물질이 발견되었는데, 이러한 물질을 준결정이라고 한다. 준결정은 결정과 비결정의 특징을 모두 가지고 있어 새로운 소재를 개발하는 데 중요한 역할을 한다. 이 때문에 재료공학 등 여러 분야에서 준결정에 대한 연구의 중요성이 증대되고 있다. 준결정 구조를 발견한 학자는 작년에 노벨화학상을 받기도 했다.

전자현미경으로 관찰하면 규칙적인 패턴 찾을 수 있어

준결정 구조는 3차원에서 원자 배치의 규칙을 찾을 수 없다. 그러나 전자현미경의 회절무늬를 관찰하면 규칙을 발견할 수 있다. 전자현미경은 전자를 쏘아 그 전자가 표본의 원자에 부딪히면서 산란해 상을 형성한다. 결정구조의 물질을 투과전자현미경으로 관찰하면, 전자가 부딪힌 원자 부분이 빛나는 점으로 표현된다. 일반적인 결정구조는 빛나는 점이 격자무늬로 바둑판의 점처럼 나타난다. 그런데 준결정 구조는 격자무늬가 아니라 한 점을 기준으로 퍼져나가는 듯한 무늬가 나온다. 이 무늬는 일정 각도로 회전했을 때 무늬가 일치하는 회전식 대칭구조다. 여태까지 준결정 구조는 3회, 4회, 6회 회전했을 때 회전 이전 무늬와 일치하는 회전식 대칭구조만 발견되었는데, 이번에 테라사키 교수팀에서 12회 회전했을 때 일치하는 12각형 구조를 새롭게 발견한 것이다. 

<그림 1> B에서 원자가 중심축을 기준으로 원 모양으로 퍼져 나가는 형태로 나타나는 것을 볼 수 있다. 중심축으로부터 원자가 떨어진 거리는 황금비율로 증가한다.

미셀을 이용해 실리카 메조포러스 준결정 합성 성공

‘포러스(porous)’는 내부에 빈 공간을 가지고 있는 다공성 물질을 뜻한다. 다공성 물질은 구멍의 크기에 따라 크게 세 가지 종류가 있다. 구멍의 크기가 2nm 이하면 마이크로포러스(microporous), 2nm에서 50nm면 메조포러스(mesopo-rous), 50nm 이상이면 매크로포러스(macroporous)다. 테라사키 교수팀은 크기가 2nm보다 큰 미셀을 이용해 메조포러스를 합성했다. 

계면활성제와 같이 친수성기와 친유성기로 구성된 물질을 양친매성 물질이라고 하는데, 미셀은 양친매성 물질이 물에 녹았을 때 친수성 부분이 밖을 둘러싸고 친유성 부분이 안으로 모여 형성한 구 모양 입자다. 그런데 구 모양의 입자들은 표면 분자 에너지를 최소화하려 서로 붙는 경향이 있다. 비누거품이 한 개씩 떨어져 있지 않고 붙어있는 것도 같은 원리다. 미셀은 부드러운 입자이기 때문에 테라사키 교수팀은 결정구조로 만들고자 미셀 위에 비교적 단단한 실리카를 덮어씌웠다. 미셀은 구 모양이기 때문에 서로 붙었을 때 그 사이사이에 빈틈이 존재하지만, 실리카를 씌우면 미셀이 빈틈없이 각진 형태로 서로 맞물린다. 테라사키 교수는 이때 서로 붙은 미셀의 구조가 12각형 준결정 구조임을 발견했다. 일반적으로 실리카는 물에 녹지 않지만, 전하를 가하면 물에 녹아 미셀에 씌울 수 있다.

테라사키 교수는 “여태까지는 합성 방법에 대한 가이드라인이 전혀 없었기 때문에 실리카를 이용한 메조포러스 준결정 구조를 만들기 어려웠다”라며 “실리카 메조포러스 준결정 합성을 하나의 요리로 비유한다면, 이번 연구는 최초로 발견된 요리법에 해당한다고 볼 수 있다”라고 말했다.