포스텍 화학과 이인수 교수 연구팀은 자연에서 나타나는 ‘튜링 패턴’ 형성 원리를 나노 금속 성장에 적용해, 미로형 초소형 튜링 패턴 금속 촉매를 세계 최초로 구현했다. 금속은 본래 둥근 공 모양으로 뭉치려는 성질이 강해 나노미터 크기에서 규칙적인 패턴을 만들기 어려웠으나, 연구팀은 이를 극복하는 새로운 설계 방식을 제시했다. 이번 연구에는 박사과정 홍유림 씨, 니티 쿠마리 연구교수, 앙쿠르 마지 박사후연구원이 함께 참여했다.

 연구팀은 실리카로 만든 매우 얇은 속 빈 막 구조를 작은 반응 공간으로 활용했다. 이 공간 안에서 팔라듐(Pd) 이온과 계면활성제가 스스로 배열되도록 유도해, 주기적인 줄무늬를 갖는 2차원 팔라듐 금속망을 형성했다. 완성된 금속 구조는 미로처럼 서로 연결된 형태로, 실리카 껍질이 외부에서 단단히 지지해 금속이 쉽게 뭉치거나 붕괴되는 것을 막는 특징을 지녔다.

 이 촉매는 여러 원료가 동시에 반응해야 하는 복잡한 다성분 화학반응에서 뛰어난 성능을 보였다. 반응물과 중간체가 미로형 구조 안에서 효율적으로 모이고 이동 경로가 정리되면서, 95~99%에 이르는 매우 높은 수율을 기록했다. 반응성이 낮은 원료를 사용한 경우에도 60~70% 이상의 의미 있는 수율을 나타냈으며, 한 장치에서 연속 반응을 수행하는 원팟(one-pot) 반응에서도 안정적인 촉매 성능을 입증했다.

 이번 연구는 자연의 무늬 생성 원리인 ‘반응-확산’ 메커니즘을 금속 나노 구조 설계에 도입했다는 점에서 의미가 크다. 연구팀은 금속 성장 과정에서 활성과 억제의 균형을 정밀하게 조절해 규칙적인 패턴을 형성했으며, 이를 실리카 껍질로 고정해 안정적인 촉매로 완성했다. 이인수 교수는 “자연의 무늬 형성 원리를 보이지 않는 크기의 금속에 구현한 첫 사례”라며, “다른 금속에도 적용 가능한 새로운 촉매 설계의 길을 열었다”고 밝혔다. 이번 연구 성과는 미국화학회지 JACS에 게재됐으며, 교육부의 여러 연구지원 사업의 지원을 받아 수행됐다.

[발췌: 전자신문]