천연 자성을 가진 자철광(Fe₃O₄)은 표적 약물, 배터리 등에 널리 활용되는 물질로 전 세계에서 흔하게 발견되지만, 산화 과정을 분석하는 데는 어려움이 있었다.

최근 박제근 서울대학교 물리천문학부 교수가 이끄는 한국, 일본, 영국 등 국제공동연구팀이 자철광의 산화 과정을 실시간으로 규명하는 데 성공하였다.

연구팀은 자철광을 평균 직경 44nm(나노미터·1nm는 10억 분의 1m)인 나노입자로 만든 뒤 공기 중 산소와 접촉할 표면적을 넓혔다. 그 결과 상온에서 자철광 입자의 산화 기간을 관찰하기 쉬운 수준으로 단축할 수 있었다.

이 실험으로 연구팀은 지난 80년 동안 물리학계 난제로 남아있던 버웨이 상전이 문제를 해결할 단초도 찾아냈다. 자철광은 특정 온도를 기점으로 결정구조, 전기저항 등의 성질이 급변하는 특성이 있다. 이를 버웨이 상전이라고 부르는데, 그간 버웨이 상전이 온도는 자철광이 산화될수록 낮아진다고 알려져 있었다.

그런데 이번 연구를 통해 나노입자 자철광의 버웨이 상전이 온도는 입자가 큰 자철광 단결정과 다르게 변한다는 사실이 밝혀졌다. 나노입자 자철광도 초기에는 산화될수록 상전이 온도가 낮아졌다. 그러나 철과 산소의 비율이 2.99:4일 때 최저온도인 70K(영하 203℃)에 도달한 뒤에는 상전이 온도가 오히려 높아졌다.

이런 차이의 원인을 밝혀내기 위해 연구팀은 컴퓨터 모델을 이용해 나노입자 내 산소의 확산 정도를 시뮬레이션했다. 그 결과 기존에 알려진 것과 달리 버웨이 상전이가 자철광의 산화도 뿐 아니라 입자 내 산소 분포 패턴에도 영향을 받는다는 사실을 밝혔다.

박 교수는 “나노입자의 산화 과정을 완전히 이해한 첫 번째 사례로 나노화학 연구에 중요한 기점이 될 것”이라고 말했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’ 11월 4일자에 발표됐다. doi: 10.1038/s41467-021-26566-4