경기대 연구팀, 나노 입자 내 ‘보이지 않는 길’ 설계

美 화학회 발간 국제학술지 ‘JACS’ 4월호에 논문 게재

경기대학교 화학과 박종식 교수 연구팀이 양이온 교환 경로를 조절해 원자 단위의 교차 나노입자를 합성하는 새로운 전략을 보고했다.

17일 경기대에 따르면 해당 연구팀은 나노입자 내부 결정 구조에 존재하는 특정 화학결합을 마치 도로 위의 방지턱처럼 활용, 이온의 이동 경로를 선택적으로 제어해 특정 층에만 이온이 확산될 수 있도록 유도하는 전략을 마련했다.

▲연구요약 자료. ⓒ경기대학교

연구팀이 활용한 ‘양이온 치환 반응(cation exchange reaction)’은 나노입자의 속 재료를 바꾸는 기술이다.

이는 겉 모양은 그대로 둔 채 속에 있는 금속 이온을 다른 것으로 갈아 끼우는 방식으로, 마치 쿠키 모양은 그대로 두고 안에 들어가는 재료만 초콜릿에서 딸기로 바꾸는 것과 같은 원리다.

이를 활용하면 기존에 관찰하지 못한 새로운 구조 및 조성을 가지는 나노입자를 창출할 수 있게 된다.

해당 전략을 기반으로 경기대 연구팀이 합성한 ‘층상 교차 구조(Layer-by-Layer Interdigitated Nanoplates)’는 마치 손가락을 맞잡은 것과 같은 다른 물질군이 교차되는 구조다.

이로 인해 두 물질군과 차별화 되는 전자 구조 및 물성이 관찰될 가능성이 있어 이를 활용하면 향후 △차세대 반도체 △고감도 센서 △고효율 촉매 등 다양한 첨단 소재에 응용될 수 있을 것으로 전망된다.

박종식 교수는 "이번 연구는 나노소재 내에서 이온의 흐름을 ‘선택적으로 억제’하도록 정교하게 설계함으로써 원자 단위 계면 제어 기술의 새로운 가능성을 제시한 것"이라며 "향후 다양한 재료 시스템에 이 전략을 적용해 새로운 기능성 나노소재를 설계하는 기반 기술로 활용할 수 있을 것"이라고 말했다.

한편, 경기대학교 조수인 석사 연구원과 한국기초과학지원연구원(KBSI) 김태경 박사 및 텍사스 A&M 대학교 이치호 박사가 공동 제1저자로 참여한 이번 연구 성과는 미국 화학회(American Chemical Society, JACS)에서 발행하는 국제 재료 및 화학 분야에서 세계적으로 권위 있는 최고 수준의 학술지 미국학회지 ‘Journal of the American Chemical Society’ 2025년 4월호에 게재됐다.