기초과학

갈바닉이론을 뒤덮는 가역 환원특성 발견

발행일 : 2012 / 05 / 11

최근 중국과학원 고체물리연구소의 우즈쿤(伍志鲲)연구원이 이끄는 연구팀은 나노입자의 특이 화학성능에 대한 연구를 통해 메르캅탄(Mercaptan)으로 보호하던 초소형 금과 은 나노입자(≤ca.3nm)가 가역 갈바닉(anti-galvanic) 환원특성을 지닌다는 점을 발견하였다. 현재 관련 메커니즘과 응용은 연구중에 있다. 이러한 발견은 기존 이론의 정확성 여부에 질의를 제출하였을 뿐 아니라 특수 나노구조 구축 및 성능 제어를 위해서도 간단한 방법을 제공하였다.

갈바닉 환원은 이태리과학자 Luigi Galvani의 이름을 따서 명명한 것으로 대표적인 화학반응에 속한다. 쉽게 말하면 전기화학적 성질이 상대적으로 활발한 금속은 활발하지 않은 금속을 이온상태로부터 환원해내지만, 그 가역과정(활발하지 않은 금속으로 활발한 금속을 이온상태에서 환원해냄)은 자발적으로 발생하지 않는다는 것이다. 예를 들면 금속 Cu로 Ag+를 환원시킬 수 있으나 금속 Ag로는 Cu2+를 Cu로 환원이 불가능하다. 이 법칙은 발견되어서 2백년이 지난 지금까지 정확성여부에 대해 질의를 제출한적 없었다. 특히 나노 붐이 일고 있는 오늘날, 나노 사이즈 범위에서도 이의가 제출된바 없었다. 갈바닉 환원반응은 부식, 전기도금 등 생산과 생활에서 널리 응용되는 외에도, 나노기술에서도 특별히 주목 받으면서 나노구조의 구축이나 나노구조의 구성, 구조 및 특성 제어에서 광범위하게 응용되고 있다.

우즈쿤 연구원이 주도하는 연구팀은 금속이 일정 치수로 작아졌을 때 표면에 전자가 농축되면서 가역 갈바닉환원반응 역시 가능하다는 점을 발견하였다(즉 활발하지 않은 금속으로 활발한 금속을 이온상태에서 환원시킴). 연구팀은 금과 은으로 시험을 하였고, 또 질량분광법, 광전자분광법 등 수단을 통해 추측했던 관점을 입증하였다(그림1). 예를 들면 금의 치수가 일정 치수로 작아졌을 때 은이온과 동이온을 매우 쉽게 0가 금속으로 환원할 수 있다(그림2).

이 발견이 화학학술지 “안게반테 케미(Angewante Chemie International Edition)”에 투고되자 원고심사자의 높은 평가를 받았다. 이 연구논문은 최신호 Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 2934 –2938에 실렸다.

후속연구는 계속해서 진행중에 있으며, 연구결과가 나오면 이러한 특이한 발견을 이해하는데 도움이 될 것이다.

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