Study on the crystallographic orientation dependent electrochemical corrosion rates of platinum.

원자 세계의 보이지 않는 갑옷

재료의 강도가 단순히 무엇으로 만들어졌느냐가 아니라, 그 미세한 구성 요소들이 어떻게 배열되어 있느냐에 달려 있는 세상을 상상해 보십시오. 이것이 바로 원자들이 벽돌처럼 어떻게 쌓여 있는지를 연구하는 결정학의 영역입니다. 이 미시적인 도시에서 모든 표면은 입방체가 윗면, 옆면, 앞면을 갖는 것처럼 특정한 '면(face)' 또는 방향을 가집니다. 어떤 면은 지하철 칸처럼 원자들이 빽빽하게 들어차 있는 반면, 다른 면은 공원 벤치처럼 더 개방적이고 성긴 구조를 띠고 있습니다.

이제 이 원자들이 레몬즙 목욕처럼 자신들을 깎아 먹으려는 부식성 수프 속에 살고 있다고 상상해 보십시오. 이것이 전기화학적 부식입니다. 수십 년 동안 과학자들은 어떤 금속이 다른 금속보다 더 빨리 녹슬다는 사실을 알고 있었지만, 연료 전지나 장신구에 사용되는 빛나고 값비싼 백금과 같은 단일 금속조차도 어떤 '면'이 산에 노출되느냐에 따라 녹는 속도가 다를 수 있다고 의심해 왔습니다. 이는 마치 나무 문이 햇빛을 받는 쪽보다 비를 맞는 쪽에서 더 빨리 썩는 것과 비슷합니다. 어떤 원자 면이 가장 강한지를 이해하는 것은 매우 중요한데, 백금은 클린 에너지 기술의 슈퍼스타이기 때문입니다. 만약 백금이 너무 빨리 녹아버린다면, 우리의 미래를 움직일 기계들이 멈춰버릴 수도 있습니다.

원자 탐정 이야기: 누가 먼저 잡아먹히는가?

이 연구에서 연구진은 백금 결정의 어떤 면이 '쿠키 통 안에서 가장 단단한 쿠키'인지를 밝혀내기 위해 미시적 탐정 역할을 수행했습니다. 그들은 단순히 금속 조각을 산에 담그고 기다린 것이 아니라, '제1원리 계산(first-principles calculations)'이라는 강력한 컴퓨터 시뮬레이션을 사용했습니다(이는 실제로 만지지 않고도 원자가 어떻게 행동하는지 볼 수 있는 매우 정확한 디지털 현미경이라고 생각하면 됩니다). 그들은 빽빽하고 매끄러운 면부터 울퉁불퉁하고 열린 면까지 아우르는 9가지의 서로 다른 백금 표면 디지털 모델을 구축하고, 다음과 같은 간단한 질문을 던졌습니다: "만약 당신을 산성 목욕 속에 넣는다면, 얼마나 빨리 사라지겠습니까?"

연구진은 그 답이 전적으로 원자 배열의 '성격'에 달려 있다는 것을 발견했습니다. 그들은 백금 (111) 표면이 궁극의 보디가드라는 사실을 찾아냈습니다. 이 면은 가장 빽빽하게 채워져 있고, 가장 안정적이며, 녹아내리기 가장 어렵습니다. 반대로 백금 (401) 표면은 가장 약한 고리였습니다. 이 면은 구석진 곳과 틈새가 많은 열린 고지수(high-index) 면으로, 원자들이 덜 안전하게 배치되어 있어 산에 의해 가장 먼저 잡아먹히게 됩니다.

이를 시각화하기 위해, 백금 원자들을 무대 위의 무용수라고 상상해 보십시오. (111) 무용수들은 손을 맞잡고 단단하고 깨지지 않는 원을 그리며 서 있어서, '산성 괴물'들이 한 명을 떼어내기가 매우 어렵습니다. (401) 무용수들은 서로 멀리 떨어져서 팔을 흔들고 있어, 산이 그들을 무대에서 하나씩 낚아채기가 쉽습니다. 연구진은 부식률을 느림(최고)에서 빠름(최악) 순으로 다음과 같이 나열했습니다: (111) < (221) < (211) < (110) < (100) < (210) < (321) < (311) < (401). 쉬운 말로 하면, (111) 면은 부식 저항력의 챔피언인 반면, (401) 면은 가장 취약합니다.

하지만 이야기는 원자들이 녹아 없어지는 것을 지켜보는 데서 끝나지 않습니다. 연구진은 또한 이 표면들이 부식 과정 중에 기포로 발생하는 가스인 수소와 어떻게 상호작용하는지도 살펴보았습니다. 그들은 (111) 표면이 수소를 붙잡았다가 놓아주는 것(수소 발생 반응이라고 불리는 과정)에 가장 서툴다는 것을 발견했습니다. 결과적으로, 수소를 잘 붙잡는 표면들((100) 및 (311) 면 등)은 더 빨리 녹는 경향이 있었습니다. 이는 파트너를 너무 꽉 붙잡다가 결국 발을 헛디뎌 넘어지는 댄스 파트너들과 비슷합니다. 이 연구는 가장 안정적인 원자 구조와 '딱 적당한' 수준의 수소 상호작용을 가진 표면들이 가장 오래 살아남는다는 점을 시사합니다.

디지털 탐정 작업이 단지 환상이 아니었음을 증명하기 위해, 팀은 실제 세계로 나갔습니다. 그들은 실제 백금 조각을 가져와 연마한 뒤, 짭짤한 산성 용액에 1분 동안 담갔습니다. 그런 다음 두 가지 첨단 도구를 사용했습니다. 하나는 결정면을 매핑하기 위한 것(EBSD)이었고, 다른 하나는 산이 작업을 마친 후 남겨진 미세한 언덕과 골짜기를 측정하기 위한 것(AFM)이었습니다. 결과는 컴퓨터 예측과 완벽하게 일치했습니다. 실제 금속의 (111) 결정립들은 산의 영향을 거의 받지 않고 높고 당당하게 유지되었습니다. 그러나 (100)과 (110) 결정립들은 눈에 띄게 깎여 나가, 마치 누군가 씹어 먹은 듯한 모습을 보였습니다.

논문은 백금의 부식 저항력이 우연한 사고가 아니라, 원자가 어떻게 배열되어 있는지의 직접적인 결과라고 결론짓습니다. 만약 여러분이 연료 전지에서 오래 지속되는 백금 전극을 만들고 싶다면, 강인한 (111) 면이 산을 마주하도록 설계해야 합니다. 이 연구는 과학자들에게 새로운 '지도'를 제공하여, 어떤 원자 면이 가장 강한지를 정확히 보여줌으로써 클린 에너지 혁명을 위한 더 오래 지속되는 재료를 설계할 수 있도록 돕습니다. 컴퓨터 시뮬레이션이 상세한 순위를 제공했다면, 실제 실험은 원자의 춤이 복잡하고 젖어 있는 화학의 세계에서도 그대로 적용된다는 규칙을 확인시켜 주었습니다.