나노기술 및 정책 정보

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네덜란드의 레이던 대학교(Leiden University) 연구팀이 특별한 종류의 백금 결정을 부식시켰을 때 나타나는 패턴을 나노 스케일의 인도 계단이라고 부름. 고유한 패턴 이미지는 프로세스의 파괴성을 보여줄 뿐만 아니라 예측 가능성도 보여줌. 부식은 다양한 방식으로 발생할 수 있음. 예를 들어, 양극 부식은 자전거에서의 녹으로 알려져 있음. 부식 조건이 맞으면 표면이 산화되고 형성된 금속 산화물이 용해될 수 있음. 당초 연구팀은 실제 백금 전극에서도 이런 일이 일어날 것이라고 생각했었음. 일본 회사인 Hitachi High-Tech Corporation은 Marc Koper (촉매 및 표면 화학 교수)에게 전극의 수명을 개선할 수 있기를 바라며 전극의 마모를 조사해달라고 요청했었음. 연구원들은 곧 다른 일이 진행되고 있음을 발견하였음. 이것은 양극이 아니라 음극 부식 일 가능성이 매우 높은 것이었음. 이 과정에서 금속이 오히려 환원되어 금속 수소화물이 생성됨. 금속은 이미 완전히 환원되어 있었기 때문에 이것이 전혀 불가능하다고 생각할 것임. 그러나 음극 조건, 즉 음의 전압에서는 백금이 부식됨. 음극 부식으로 인해 발생하는 화합물은 매우 불안정하여 직접 측정할 수 없음. Koper는 이들이 형성되고 매우 짧은 시간 내에 물 분자와 반응하여 다시 백금으로 산화되려고 한다고 가정해야 했었음. 그러나 실제로 볼 수 있는 것은 재료의 구조가 변한다는 것뿐임. 연구팀은 특별히 설계된 백금 결정을 통제된 방식으로 부식시켜 프로세스를 시각화했음. 금속 표면은 일반적으로 면이 뒤죽박죽으로 구성됨. 각 측면에서 원자는 특정 방식으로 배열됨. 연구팀은 각 면의 위치와 원자 구조가 어떻게 구성되는지 정확히 알 수 있도록 결정을 만들었음. 연구팀은 백금의 마모 과정이 각 면마다 다르다는 것을 알았음. 이미지에서 녹색 면인 Pt (110)는 거의 부식되지 않고 파란색 면인 Pt (100)는 연구자들이 프랙탈 에칭이라고 부르는 과정을 거침. 마모는 정사각형의 형태로 시작됨. 천천히 이것은 역 피라미드로 바뀌고 결국 다양한 가지가 있는 아름다운 프랙탈이 만들어짐. 이것은 인도 계단을 생각나게 하지만 나노 크기임.

연구팀은 이 프로세스가 질서 정연할 것이라고는 결코 예상하지 못했음. 이는 음극 부식을 예측 가능하게 만들고, 예를 들어 부식되지 않거나 거의 부식되지 않는 원자 구조로만 백금 전극을 설계하여 이를 현명하게 사용할 수 있기를 기대함. 다른 경우에는 음극 부식이 바람직한 요인임. 이는 음극부식을 통해 나노 입자를 만들 수 있음. 이것은 금속 입자가 부식을 통해 표면에서 떨어져 나와 용액의 다른 금속 입자와 결합할 때 생성됨. 이 경우에는 쉽게 마모되는 결정면(예 : Pt (100))을 사용해야 함.

본 연구 성과는 ‘Proceedings of the National Academy of Sciences’ (“Nanoscale morphological evolution of monocrystalline Pt surfaces during cathodic corrosion”) 지에 게재됨