[데일리비즈온 김소윤 기자] 값비싼 금 대신 공기를 채워 넣어 가벼우면서 내부 표면적이 넓은 소재가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 연구팀은 다공성 금 소재 내부의 기공을 작게 만들어 쉽게 부서지는 다공성 소재의 단점을 해결했다.

25일 과학계에 따르면 울산과학기술원(UNIST) 신소재공학부 김주영 교수 연구팀은 부러진 후에도 쉽게 다시 붙는 ‘자가 치유 능력’을 가진 3차원 나노 다공성 금 소재를 개발했다.

◇ 자가치유 가능한 금 소재

이와 관련 UNIST 관계자는 “연구팀이 다공성 금 소재 내부 기공을 작게 만드는 방법을 이용해 쉽게 부서지는 다공성 소재의 단점을 해결했다”고 말했다. 개발된 소재는 다공성 소재와 금의 장점을 모두 갖췄다. 기공이 전체 부피의 70%를 차지해 가볍고 금에 비해 표면적은 10만 배 이상 넓다.

또 물질 내부에 미세한 구멍을 많이 만들면 반응이 일어날 수 있는 표면적이 넓어진다. 나노 다공성 금 소재도 내부에 수십 나노미터 크기의 작은 구멍이 촘촘히 있는 구조를 갖고 있다. 표면적이 넓어 반응성이 좋아 이에 센서, 전극재료, 촉매 등으로 사용될 수 있다는 게 연구팀의 설명이다.

아울러 공기로 채워져 있어 무게가 가볍고 금의 인체 친화성 때문에 생체 재료로도 사용할 수 있다는 장점이 있다. 다만 소재 자체가 갖는 다공성 구조 때문에 작은 변형에도 쉽게 균열이 일어나 연구팀은 기공을 25 나노 크기로 줄여 활용 한계를 극복했다. 

그 결과, 튼튼하고 잘 부서지지 않는 다공성 금 소재를 만들 수 있었다. 통상적으로 기공 숫자가 많아지면 강도가 떨어지는데 이번에 개발한 소재는 크기가 작은 기공이 조밀하게 있는데도 강도가 높다는 것이 특징이다.

특히 부러진 이후에 스스로 달라붙는 능력이 있어 파손된 후 강도가 처음의 약 50% 수준까지 회복된다는 것이 연구팀의 설명이다. 이들은 추가 실험을 하면서 강도가 높은 원인과 자가 치유 과정을 알 수 있었다.

◇ 비싼 금 촉매 줄이는 방법도 개발

확산을 통해 움직인 금 원자가 파손된 단면을 메우는데 기공이 작아지면 표면에 노출되는 금 원자 비율이 높아져 원자가 잘 확산 된다는 것이 연구팀의 설명이다. 열이나 전자빔은 같은 외부 에너지 없이 압축 응력만으로 균열이 치유되는 논리다. 

김주영 교수는 “나노 다공성 금은 화학적으로 안정적이며 인체에 무해한 소재다. 이번 연구로 쉽게 부서진다는 약점을 극복한 만큼 다양한 분야로 활용될 것”이라며 “파손된 금 소재를 재활용할 수 있다는 측면에서도 중요한 연구”라고 밝혔다.

앞서 3월 한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 전석우·오지훈 교수 연구팀은 비싼 금 촉매의 사용을 효과적으로 줄일 3차원 나노구조 촉매를 개발해 이산화탄소의 전기화학 환원 반응 시 발생하는 물질이동의 한계를 극복했다. 

이 같은 연구 결과는 이산화탄소의 배출과 화석 연료 고갈이 심화돼 이산화탄소를 재활용하는 연구가 활발한 가운데 나왔다. 연구팀은 3차원 나노 구조 금 촉매의 기공 크기와 분포를 조절한 서로 다른 세 가지 나노 구조 촉매를 통해 기공 네트워크와 반응물, 생성물의 확산에 미치는 영향을 구조적 관점에서 바라봤다.

연구팀은 “이 기술은 이산화탄소 환원 촉매 연구는 물론 유사 전기화학 분야에서 발생하는 물질이동 문제를 해결하고 효율적인 촉매 활용을 위한 폭넓은 응용이 가능할 것으로 보인다”고 말했다.