[뉴스스페이스=이종화 기자] 최근 퍼듀대학교를 중심으로 한 국제 공동 연구팀이 최대 9가지 금속을 포함하는 맥신(MXene) 2차원 나노소재를 합성하는 데 성공했다. 이번 연구는 지금까지 합성된 2D 소재 중 조성이 가장 복잡한 사례로 기록되며, 극한 환경에서 활용 가능한 맞춤형 소재 설계에 새로운 전기를 마련했다. 최근 이 연구는 Science에 발표됐다.

Purdue University Engineering Spotlight, Nature, EurekAlert, Phys.org, Science에 따르면, 퍼듀대 바박 아나소리(Babak Anasori) 교수팀과 드렉셀, 밴더빌트, 펜실베이니아대, 아르곤 국립연구소, 폴란드 바르샤바 연구소 등이 참여해 약 40여 종에 달하는 다양한 금속 조합층상 소재(MAX 상)를 합성하고, 이를 2차원 MXene으로 변환해 원자 배열 및 전자적 특성을 면밀히 연구했다.

9종 금속 MXene 개발과 물질 특성의 혁신

MXene은 2011년 발견된 전이금속 카바이드·나이트라이드의 초박형 시트로, 두께가 약 1나노미터이며 탁월한 전기전도성과 수용성으로 배터리, 전자파 차폐, 센서 등 다방면에 혁신을 불러왔다.

연구에서 네 가지 이상의 금속이 포함된 MAX 상은 엔탈피에 의해 원자가 질서 있게 배열되나, 7종 이상의 금속을 포함하면 엔트로피 영향으로 원자 배열이 무작위로 변해 ‘무질서’ 상태가 된다. 이는 복잡 소재 내 열역학적 질서와 무질서 경쟁의 새로운 전이 현상을 입증했다.

이러한 고엔트로피 소재는 텅스텐과 같이 도입이 어려웠던 금속들을 포함, 수소 연료 생산 촉매 등 기능적 확대가 용이해졌다.

극한 환경에서의 응용 가능성

연구진은 고엔트로피 MXene 소재가 극한 환경인 초고온, 강방사선에서도 동작 가능한 소재로 기대된다고 밝혔다. 특히 전자파 차폐, 초박형 안테나, 항공우주 분야 소재로 혁신적 활용이 가능하다.

복잡성을 지닌 이 소재는 현재 컴퓨터 시뮬레이션으로는 특성 예측이 어려워, 실험실 테스트를 통한 검증이 필수적이다. 스톡홀름 KTH의 물리학자 Max Hamedi는 “예기치 못한 놀라운 특성이 발견될 수 있다”고 기대를 표했다.

고엔트로피 MXene의 합성과 특성 분석

연구팀은 MAX 상 합성을 통해 다양한 금속 조합을 실험하며 재료의 구조적, 전자전달성능 특성을 체계적으로 분석했다. 이 과정에서 격자 내 원자의 단거리 배열(Short-range ordering)이 소재의 물리적 특성 차이에 핵심 요소임이 확인됐다.

또한, MAX 상에서 MXene 2D 나노시트로의 전환 과정을 통해 무질서 혹은 질서 상태가 표면 특성과 전자적 거동에 미치는 영향을 구체적으로 밝혀냈다.

미래 전망: AI 기반 나노소재 설계 가속화

이번 발견은 고엔트로피 소재 내 엔탈피와 엔트로피의 미세 균형 이해를 통해 AI를 활용한 맞춤형 나노소재 설계 및 개발에 혁신적 도약을 예고한다. 더욱 많은 금속 원소의 조합 가능성과 구조 제어가 미래 첨단 소재 산업의 신성장 동력이 될 것으로 예상된다.

이번 연구는 국내외 2D 소재 연구 및 극한 환경용 기능성 신소재 개발에 획기적 전환점이 될 전망으로, 한국 산업계와 연구계에서도 활발한 후속 연구와 실용화가 기대된다.