클러스터는 기존 나노 입자보다 작으면서도 정확한 개수의 원자로 이뤄져 있어, 원하는 물성을 정확히 구현한다는 장점이 있다. 특히 반도체 클러스터는 다양한 응용 가능성으로 주목받지만, 상온·공기 중에서 불안정해 현재까지 응용 사례가 없다.

연구진은 반도체 클러스터의 안정성을 높이기 위해 기존 반도체 클러스터의 단일 자리 리간드(중심 금속 원자에 결합해 화합물을 형성하는 이온·분자)를 이중 자리 리간드로 대체했다. 한 손보단 두 손을 마주 잡는 게 견고한 원리를 적용했다. 이후 승온법(온도를 서서히 올려 나노 입자를 합성하는 방식)으로 망간이온이 바뀐 13개의 카드뮴셀레나이드 클러스터와 13개의 아연셀레나이드 클러스터를 합성했다.

이렇게 합성한 클러스터 수십억 개를 규칙성 있게 배열해 거대구조를 만들었다. 이 거대구조는 기존 반도체 클러스터가 공기 중에서 30분이 지나면 구조 변형이 일어나는 것과 달리 1년 이상 안정성을 유지하면서 발광 효율도 72배 높은 것으로 나타났다.

연구진은 같은 방식으로 26개 원자로 이뤄진 카드뮴-아연 합금 셀레나이드 클러스터를 합성하고 클러스터를 뭉쳐 거대구조를 구현했다. 이어 이를 촉매로 활용해 온화한 조건(통상적으로 반응이 이뤄지는 온도와 압력보다 저온·저압 환경)에서도 이산화탄소를 화장품이나 플라스틱 원료 물질인 `프로필렌 카보네이트`로 변환하는 반응을 확인했다.

연구팀 관계자는 "온화한 조건에서 1시간에 1개의 클러스터가 3000개의 이산화탄소 분자를 프로필렌 카보네이트로 변환하는 높은 전환율을 보였다"며 "카드뮴과 아연이 원자 단위에서 반씩 섞인 클러스터 거대구조에서 두 금속 간 시너지 효과가 유발돼 촉매 활성이 향상되는 것을 확인했다"고 설명했다.장진웅 기자

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