시간이 지나면 철은 녹슬고 구리는 녹색으로 변한다. 그런데 금은 수 세기가 지나도 변색되지 않는다. 그동안 금은 단순히 산소와 반응하지 않아 변색하지 않는다고 알려졌다. 5월 21일 매튜 몬테모어 미국 툴레인대 화학공학과 교수의 연구팀은 금 원자가 ‘재배열’되기 때문에 변색하지 않는다는 연구 결과를 국제학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스’에 발표했다. doi: 10.1103/g3bc-t1qv
연구팀은 금속의 ‘산소 분자 분해 능력’에 주목했다. 금속이 산화되려면 원자 두 개로 이루어진 산소 분자(O2)를 원자(O)로 하나씩 분해해야 한다. 그러면 불안정한 상태인 산소 원자가 금속 표면에 달라붙어 금속의 산화가 일어난다.
연구팀은 사각형 배열과 육각형 배열 상태에서 금의 산소 분해 능력을 비교했다. 평소에 금 원자는 금속 내부에 사각형으로 배열돼 있다. 그러다 금의 절단 등으로 내부 원자가 밖으로 드러나면 원자 사이의 간격이 촘촘한 육각형으로 원자 배열을 바꿔서 안정화하는 성질이 있다. 이 두 가지 배열에서 금이 산소를 분해하는 과정을 살피기 위해 연구팀은 VASP라는 컴퓨터 프로그램을 이용했다. VASP는 원자와 전자의 움직임을 예측하는 프로그램이다.
실험 결과, 금 원자는 육각형 구조일 때보다 사각형 구조일 때 산소 분자를 원자로 더 잘 분해했다. 금 원자는 산소 분자를 원자 두 개로 분해하면서 반응하는데, 어긋난 구조인 육각형 배열보다 일정한 구조인 사각형 배열의 금 원자 표면에 산소 원자들이 바로 결합하기가 쉽기 때문이다. 육각형으로 배열된 금 원자 표면은 사각형 배열보다 산소 반응을 10억~1조 배까지 억제하는 것으로 드러났다. 이 실험 결과를 토대로, 연구팀은 금 원자의 육각형 재배열이 금 산화를 막는다는 결론을 낼 수 있었다.
이 연구는 에너지 분야에서 효율적인 금 촉매를 개발하는 데 활용될 수 있다. 몬테모어 교수는 보도자료를에서 “금 원자 배열을 사각형 구조로 유지시키는 방법으로 금이 산소 분자를 분해하도록 도와, 자동차 배기가스에서 일산화탄소를 제거하는 등 금의 화학 반응이 더 잘 일어나게 만들 수 있다”고 밝혔다.
