자철광(녹)에 대한 새로운 진실

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-09

오스트리아 연구진은 자철광(Fe3O4)에 대한 새로운 사실을 발견했다. 자철광은 녹의 일종이고, 산소와 철 원자가 균일한 격자로 이루어져 있다. 이 재료는 전자장치와 의료용 장치에 촉매로서 점점 더 중요한 역할을 한다. 비엔나 기술 대학(Vienna University of Technology)의 연구진은 자철광 표면의 원자 구조가 실제로 알고 있던 것과 매우 다르다는 것을 발견했다. 자철광의 특성들은 표면 이하의 층 속의 철 원자들의 결함에 달려 있다. “우리는 Fe3O4의 표면이 Fe3O4가 아니라 Fe11O16처럼 보인다는 것을 확인했다”고 Ulrike Diebold 교수가 말했다. 이 새로운 연구결과는 저널 Science에 게재되었다. 아마도 자철광의 가장 놀라운 특성은 표면에 위치한 단일 원자들(금 또는 팔라듐)이 나노입자를 형성하고 무질서한 것이 아니라 완벽하게 제자리에 위치한다는 것이다. 이런 효과는 화학 반응을 위한 지극히 효과적인 촉매가 되게 하지만, 어떤 사람도 자철광이 왜 이런 특성을 가지는지를 말할 수 없었다. “또한 Fe3O4 기반의 전자장치들은 굉장히 다르게 기능한다”고 Gareth Parkinson은 말했다. “재료가 표면을 통해서 그들의 환경과 반응하기 때문에, 이것은 표면 구조와 이것이 왜 형성되는지를 이해하는 것이 중요하다”고 arkinson은 덧붙였다.  금속 산화물의 특성들은 최외각 원자 층 속의 산소 공공에 달려 있다. 환경에 따라서, 표면 위의 일부 산소 원자들은 결손(缺損)될 수 있다. 이것은 재료의 전기적 특성에 큰 영향을 끼칠 수 있다. “우리 커뮤니티 속의 모든 사람은 결손된 산소 원자들에 대해서 생각한다. 그러나 실제로는 전기적 특성은 결손된 철 원자에 의존한다”고 Gareth Parkinson은 말했다. 산소 원자들을 가진 금속 원자들의 고정된 구조가 아니라, 내부에 숨겨진 작은 금속 원자들을 가진 잘 수립된 산소 구조로서 산소-산화물을 생각해야 한다. 최외각 원자층 이하에서, 결정 구조는 재배열되고 일부 철 원자들은 존재하지 않는다. 이것은 부착된 철 원자들이 결손된 철 원자의 위치에 다른 금속 원자들을 위치하게 한다. 이러한 철-공공 위치는 균일하게 떨어져 있고, 표면에 부착된 금 또는 백금 원자 사이의 잘 정의된 거리를 항상 유지한다. 이것은 자철광 표면에 클러스터가 형성되는 것을 방해하는 원인이 된다. 자철광의 결정 구조에 대한 새로운 아이디어는 대담하고, 과학자들은 이 이론을 매우 신중하게 분석하고 있다. 양자 시뮬레이션은 제안된 구조가 물리적으로 합리적인지를 증명하기 위해서 슈퍼컴퓨터로 수행되었다. 전자 회절 측정들은 독일 프리드리히 알렉산더 대학(University of Erlangen-Nuremberg)의 연구진과 함께 수행되었다. “표면에 느린 전자를 산란시킴으로써, 재료의 실제 결정구조가 이론적 모델과 얼마나 잘 일치하는지를 측정할 수 있었다”고 Ulrike Diebold가 말했다. 이런 일치는 소위 R-값으로 정량화된다. “매우 잘 알려진 구조의 경우에, 사람들은 0.1 또는 0.15의 R-값을 달성할 수 있었다. 자철광의 경우에, 어떤 사람도 0.3 보다 더 나은 값을 달성할 수 없었고, 사람들은 이것이 발생되지 않을 것이라고 말했다” 그러나 철 원자가 결손된 새로운 자철광 구조는 실험 데이터와 매우 잘 일치하고, 0.125의 R-값을 가졌다. 금속 산화물은 이론적으로 중요하지만 매우 복잡하다고 널리 알려져 있다. “우리의 연구결과는 실망할 필요가 없다는 것을 보여주고 있다. 금속 산화물은 굉장히 정확하게 모델링할 수 있지만, 모든 것을 예상할 수 있는 것은 아니다”라고 Gareth Parkinson이 말했다. 이번 연구진은 이 연구결과가 철 산화물에 적용할 수 있을 뿐만 아니라 코발트, 망간, 니켈 산화물에도 적용할 수 있다고 예상했다. 결정 구조에 대한 재해석은 많은 분야에 철-산화물을 적용하는 연구를 촉진할 수 있고 화학적 촉매, 전자장치, 의학에서 적용될 수 있게 한다. 이 연구 프로젝트는 물리학과 화학을 동시에 이용하고 있다. 이 연구는 재료와 표면 과학 분야의 다학제간 협력으로 수행되고 있다. 이 연구결과는 저널 Science에 “Subsurface cation vacancy stabilization of the magnetite (001) surface”라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1126/science.1260556). 그림. 자철광의 구조. noname011.bmp http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=38345.php