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- 핵심 요인은 금 표면의 원자를 유연하게 재배열하는 능력
- 재배열이 산화의 첫 번째이자 가장 중요한 단계를 차단, 산화에 효과적인 장벽 역할
- 연구 결과는 금의 또 다른 응용 분야인 촉매 분야에도 중요한 출발점 제시
- 표면 원자들이 자발적으로 재배열되어 산화에 대한 저항성을 높이는 구조를 형성
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금이 변색되지 않는 이유

탁월한 보호 효과: 금은 매우 내구성이 뛰어나 수 세기가 지나도 광택을 잃지 않는다. 화학자들은 금 표면 실험을 통해 이에 대한 새로운 설명을 발견했다. 연구 결과에 따르면, 핵심 요인은 금 표면의 원자를 유연하게 재배열하는 능력이다. 이 재배열로 인해 일반적인 입방격자 구조가 육각형 패턴으로 변형된다. 연구진은 이러한 재배열이 산화의 첫 번째이자 가장 중요한 단계를 차단함으로써 산화에 대한 효과적인 장벽 역할을 한다는 것을 밝혀냈다. 

▲ 금 표면은 산화되지 않기 때문에 광택을 유지한다. 그렇다면 그 이유는 무엇일까?

금은 여러 면에서 매우 특별한 원소다. 이 귀금속은 거의 모든 화학 반응에 저항하고, 독특한 광택을 지니며, 다른 어떤 금속보다 연성이 뛰어나면서도 내구성이 강하다. 이러한 불활성 덕분에 금은 수천 년이 지나도 광택을 유지한다. 구리는 녹청으로 산화되고, 철은 녹슬고, 은은 검게 변색되는 반면, 금은 부식이나 기타 환경적 영향에 거의 영향을 받지 않는 것으로 보인다.

금은 왜 변색되지 않을까?

그렇다면 금이 이처럼 놀라운 내구성을 갖는 이유는 무엇일까? "지금까지는 금이 산소와 거의 반응하지 않기 때문에 변색되지 않는다고 생각했다"고 뉴올리언스 툴레인 대학교의 매튜 몬테모어(Matthew Montemore)는 말했다. 또한, 무거운 금 원자핵은 외부 전자를 특히 강하게 결합시켜 다른 화학 반응을 억제한다. 하지만 이것이 정말 유일한 이유일까? 몬테모어와 그의 동료 산투 비스와스는 금의 산화성이 낮은 데에는 다른 원인이 있을 것이라고 추측했다.

이러한 단서를 조사하기 위해 연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해 금 표면에서 가상 반응 실험을 수행했다. 일반적으로 금의 원자 격자는 면심 입방 구조(Au(100))를 가지고 있다. 그러나 이 격자 구조는 금 표면에서 변화한다. 원자들이 재배열되어 경계층에서 에너지적으로 더 안정한 상태를 차지하게 되는 것이다. 이러한 소위 재구성 과정을 통해 금의 가장 바깥쪽 원자층은 육각형 격자 구조(Au(110))를 형성한다. 화학자들은 시뮬레이션을 통해 금 표면이 산소 분자(O2)와 접촉할 때 어떤 일이 발생하는지 분석했다.

육각형 원자 배열이 산화 방지에 미치는 영향

실험 결과, 금 표면을 육각형 Au(110) 변형으로 재배열하면 산소와의 반응에 직접적인 영향을 미치는 것으로 나타났다. 몬테모어는 "표면 원자의 재배열로 인해 금이 산화에 대한 저항성이 크게 향상된다"고 보고했다. 산화가 일어나려면 먼저 이원자 산소 분자가 분해되어야 한다. 연구진은 "하지만 육각형 금 구조는 이러한 산소 분해에 대해 특히 강력한 장벽을 형성한다"고 설명했다.

▲ 금 표면의 원자들은 에너지적으로 더 안정한 상태를 이루기 위해 재배열됩니다. 이러한 과정을 통해 원자력 현미경으로 관찰할 수 있는 줄무늬 구조가 만들어집니다. © Erwin Rossen/ gemeinfrei

구체적으로, 가상 실험 결과, 준육각형 구조로의 변화는 O2 분해 속도를 10억에서 1조 배까지 늦추는 것으로 나타났다. 반대로 시뮬레이션에서 금 표면의 재구성을 막았을 때는 이러한 억제 효과가 나타나지 않아 산소가 금과 반응할 수 있었다. 금 원자의 경우, 육각형 격자 구조는 에너지적으로 더 안정적일 뿐만 아니라, 이러한 구조로 재배열되면 귀금속이 화학적 공격에 더욱 강해진다.

이러한 결과는 금의 가장 잘 알려진 특성 중 하나에 대한 완전히 새로운 설명을 제공한다. 금이 그토록 내구성이 뛰어난 이유는 표면 원자를 유연하게 재배열할 수 있기 때문인 것으로 보인다. 몬테모어는 "표면 원자들이 자발적으로 재배열되어 산화에 대한 저항성을 높이는 구조를 형성한다"고 설명했다. 이것이 바로 금이 수천 년이 지나도 광택을 유지하는 비결이다.

금 촉매의 출발점

동시에, 이번 연구 결과는 금의 또 다른 응용 분야인 촉매 분야에도 중요한 출발점을 제시한다. 평소에는 반응성이 낮은 이 귀금속은 나노 입자 또는 금 착물 형태로 화학 반응 속도를 높일 수 있다. 예를 들어, 금-팔라듐 촉매는 화학 산업에서 기본적인 플라스틱인 아세트산 비닐을 생산하는 데 사용된다. 나노 금은 또한 일산화탄소를 이산화탄소로 산화시켜 재활용을 촉진할 수 있다.

지금까지 금의 촉매 능력을 더욱 향상시킬 수 있는지, 어떻게 향상시킬 수 있는지는 불분명했다. 하지만 이제 금 표면의 기하학적 구조가 그 출발점이 될 수 있을 것으로 보인다. 몬테모어 교수는 "금이 산소를 더욱 효과적으로 분해하도록 만들 수 있다면, 훨씬 더 효율적인 촉매가 될 수 있을 것"이라며, "우리의 연구 결과는 표면 원자의 재배열을 방지하거나 역전시킴으로써 이를 달성할 수 있음을 보여준다"고 말했다.

출처: Matthew Montemore and Santu Biswas (Tulane University, New Orleans), Physical Review Letters, 2026; doi: 10.1103/g3bc-t1qv

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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