[세종 = 뉴스핌] 김범주 기자 = 중앙대학교는 본교 화학과 성재영 교수(시스템화학 글로벌 선도연구센터 센터장) 연구팀이 '깁스-톰슨 방정식'(Gibbs-Thomson Equation)과 '고전 핵형성 이론'(Classical Nucleation Theory)의 한계를 극복한 새성장 이론을 제시했다고 9일 밝혔다.

해당 방정식과 이론은 100년 이상 나노입자 연구의 이론적 기반으로 알려졌다. 이번 연구는 서울대학교 박정원 교수(화학생물공학부), 현택환 석좌교수(IBS 기초과학연구원 나노입자 연구단 단장) 연구팀과 공동으로 실시됐다.

투과전자현미경(TEM)을 통한 액상 셀(liquid-phase TEM cell) 내 백금 및 금 나노입자의 실시간 성장과정 관찰 결과/제공=중앙대학교

연구 결과는 미국국립과학원의 공식 저널인 미국국립과학원회보(Proceedings of the National Academy of Sciences, U.S.A., PNAS) 6월호에 게재됐다.

제1저자는 김지현 교수(중앙대), 김주덕 박사(서울대), 김병효 교수(숭실대), 송상근 박사(중앙대, 현 UC Berkeley)이며, 실험 교신저자는 박정원 교수(서울대), 현택환 석좌교수(서울대, IBS 나노입자 연구단)가, 이론 교신저자는 성재영 교수(중앙대)가 맡았다.

연구팀은 반지름이 1나노미터 정도에 불과한 초미세 백금(Pt) 및 금(Au) 입자들의 실시간 성장 궤적을 세계 최초로 수백여 개 수준으로 관찰하는 데 성공했다.

관찰된 나노입자 크기 분포 변화와 크기에 따라 변하는 입자 성장 속도가 깁스-톰슨 방정식 및 고전핵형성 이론은 물론 현존하는 이론들과 배치된다는 점도 확인했다. 실험 결과들을 정량적으로 설명할 수 있는 새로운 방정식과 이론도 제시했다.

한 세기 이상 사용된 모델을 뒤집는 결과인 만큼 심사 과정도 순탄치 않았다는 것이 대학 측의 설명이다. 새로운 이론이 TEM 전자빔 조건 뿐 아니라 일반적인 합성 조건과 환경에서도 적용 가능한지를 확인하기 위해 새로운 추가 실험과 해석도 필요했다.

한편 이번 연구 성과는 향후 머신러닝(Machine Learning)과 결합해 나노입자의 성질들을 정량적으로 설계해 합성하는 기술로 확장될 수 있을 것으로 예상된다.

성 교수는 "이번 연구를 통해 나노입자 형성과 성장 과정을 지배하는 원리를 규명해 물질과학분야 발전에 중요한 기여를 할 수 있게 된 것에 감사하다"고 소감을 밝혔다.

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