에너지과학과(DOES) 박사과정 이선희 연구원과 신현정 교수 연구팀은 나노스케일의 제한된 구조 내에서 높은 종횡비(aspect ratio)를 갖는 금(Au) 나노와이어를 성장시켰으며, 그 안에서 새로운 결정구조, 즉 동질이상(同質異像, polymorph)을 발견하였다. 금은 백금(Pt)와 함께 구조적으로 가장 안정한 물질로 알려져 있으며, 지금까지 면심입방(face-centered cubic, fcc) 구조만이 보고되었다. 동질이상(polymorphism)은 화학 조성은 같지만 다른 결정구조를 갖는 것을 말한다. 결정구조의 미세한 변화는 광학적, 전기적 특성을 포함한 물리•화학적 특성 변화를 초래하기 때문에 동질이상의 제어는 기초 재료 과학 연구에 있어서 매우 중요하다. 동질이상은 물과 얼음, 다이아몬드와 흑연처럼 일상에서도 흔히 접할 수 있는 물질에서도 나타나며, 약학에서는 주로 부작용을 줄이기 위하여 연구되었다. 그러나 금, 은, 백금, 구리와 같은 귀금속에서는 거의 연구가 이루어 지지 않았으며, 아직도 미지의 영역으로 남아있다.

일반적으로 동질이상은 온도와 압력 등 주변 환경에 영향을 받으며 열역학적으로 가장 안정한 구조를 채택하지만, 신현정 교수 연구팀은 온도와 압력이 일정한 상태에서도 나노스케일의 제한된 구조가 새로운 준안정상(metastable phase)이 형성될 수 있는 환경을 제공 할 수 있다는 것을 실험적으로 증명하였다. 이 준안정상은 투과전자현미경을 이용하여 60° 회전 대칭(6-fold rotational symmetry)을 갖는 육방비조밀충진(hexagonal non-close-packed) 구조로 확인되었다. 이 구조는 일반적인 육방조밀충진(hexagonal close-packed, hcp) 구조보다 큰 면간 거리를 가지며, 마치 층상구조인 흑연(graphite)과 매우 유사하다는 것을 밝혀내었다. 육방비조밀충전 구조는 기존의 면심입방(face-centered cubic) 구조에 상응하는 열적 안정성을 보였으며, 광학적 특성에서도 분명한 차이를 보였다.

본 재료과학 분야의 기초연구로 나노스케일에서의 동질이상 형성 메커니즘을 규명함으로써, 화학조성의 변화 없이 재료 고유의 물리•화학적 성질을 뛰어 넘는 새로운 소재 개발을 위한 발판을 마련하였다는 점에서 큰 의미를 갖는다. 

에너지과학과 신현정 교수와 이선희 연구원, 배창득 연구교수가 주로 수행한 본 연구는 재료과학(material science) 분야의 세계적인 학술지인 어드밴스드 머티리얼스 (Advanced Materials, IF 19.791)에 표지논문으로 선정되었다. (2018.04.20) 본 연구는 한국연구재단의 지원으로 수행되었다.