[서울=뉴시스]전수현 인턴 기자 = 중앙대는 화학과 성재영 교수 연구팀이 '깁스-톰슨 방정식(Gibbs-Thomson Equation)'과 '고전 핵형성 이론(Classical Nucleation Theory)'의 한계를 극복한 새로운 방정식과 성장 이론을 제시했다고 9일 밝혔다.

실험 연구팀은 액체상 투과전자현미경(Liquid-phase Transmission Electron Microscope, TEM)을 활용해 반지름이 1나노미터 정도에 불과한 초미세 백금(Pt) 및 금(Au) 입자들의 실시간 성장 궤적을 세계 최초로 수 백여 개 수준으로 관찰하는 데 성공했다.

이론 연구팀은 관찰된 나노입자 크기분포 변화와 크기에 따라 변하는 입자 성장 속도가 깁스-톰슨 방정식 및 고전핵형성 이론은 물론 현존하는 이론들과 배치됨을 밝히고, 실험 결과들을 정량적으로 설명할 수 있는 새로운 방정식과 이론을 제시했다.

성 교수 연구팀은 액체상 나노입자의 병진 및 회전 운동과 구조적 불균일성 그리고 나노입자의 진동 운동 및 전자 에너지 등을 고려하는 정확한 나노입자 모델을 도출했다. 더해 나노입자 크기에 따라 변화하는 주요 열역학적 성질인 화학포텐셜(chemical potential)에 대한 방정식을 정립했다.

깁스-톰슨 방정식에 따르면 화학포텐셜은 입자 크기가 증가하면 항상 감소한다. 이에 반해 새로운 방정식에서는 입자가 특정 크기보다 작은 경우 화학포텐셜이 크기에 따라 증가한다.

연구팀은 입자의 크기가 특정 크기보다 작을 경우 수 나노미터 수준의 작은 입자들의 경우에 과포화 상태에서 작은 입자는 성장하고 큰 입자는 크기가 줄어들게 된다는 것을 최초로 증명하고 초포화 상태의 존재를 최초로 입증했다.

이는 기존 오스트발트 성숙(Ostwald ripening) 모델(큰 입자는 성장하고 작은 입자는 사라진다는 이론)과 반대되는 입증이다.

이번 연구는 특정 크기로 입자의 크기가 절대적으로 수렴하는 '크기 수렴 현상(size-focusing)'을 설명하고, 나노입자가 특정 크기 주변으로 매우 균일한 크기 분포를 가지는 이유를 설명하는 최초의 정량적 이론이다.

한 세기 이상 사용돼 온 깁스-톰슨 방정식과 오스트발트 성숙 모델을 뒤집는 새로운 이론인 만큼, 심사 과정도 순탄치 않았다.

이에 연구팀은 새 이론이 총 6가지 시스템과 실험 조건에서 얻어진 다양한 실험 결과들을 모두 일관되게 정량적으로 설명하는 것을 보임으로써 높은 보편성과 신뢰성을 확보했다.

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

한편 이번 연구는 서울대 박정원 교수, 현택환 석좌교수(IBS 기초과학연구원 나노입자 연구단 단장) 연구팀과의 공동연구로 이뤄졌다.


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