단일 구리 원자, 새로운 촉매와 스위치를 이끌지만 사슬 형성은 거부한다

구리(copper)는 물질을 단일 원자 수준까지 미세화하는 실험들에서 계속 등장하지만, 무엇을 하도록 요구받느냐에 따라 매우 다르게 행동합니다. 한 연구는 금속 선을 원자 단위로 하나씩 잡아당겨 끊어지면서 자유롭게 매달린 원자 사슬을 형성하는 원소가 무엇인지 살펴보았는데, 함께 연구된 귀금속 중 금(gold)은 사슬을 형성했지만 구리는 그렇지 않았습니다. 두 번째 연구는 개별 구리 원자를 산화티타늄(titanium oxide) 촉매에 고정시켜 물을 수소로 분해하는 데 사용했고, 이때 광변환 효율은 이전에 보고된 같은 종류의 촉매 중 가장 높았습니다. 세 번째 연구는 DNA 가닥 위에 직접 성장시킨 구리 원자 클러스터를 이용해 전기 신호를 몇 초 안에 켜고 끄는 스위치를 만들었습니다.

이 세 결과는 같은 실험실이나 같은 기법에서 나온 것이 아니지만, 공통된 맥락을 보여줍니다. 단일 구리 원자가 무엇을 하는지는 늘어난 금속 접점이든, 산화티타늄 결정이든, DNA 분자든 전적으로 그 주변 환경에 달려 있다는 것입니다.

매우 얇은 금속 접점을 천천히 잡아당겨 끊으면, 어떤 금속은 단순히 끊어지지 않습니다. 대신 마지막 원자들이 늘어나 자유롭게 매달린 사슬, 즉 원자 하나 폭의 선을 형성한 뒤에야 비로소 연결이 끊어집니다. 연구진은 기계적으로 제어 가능한 파단 접합(mechanically controllable break junction)이라는 기법을 사용했는데, 이는 냉각된 진공 챔버 안에서 홈을 낸 금속 선을 끊은 다음, 깨끗하게 새로 드러난 두 표면을 정밀하게 제어하며 다시 맞붙이는 방식입니다. 전기 전도도가 단일 원자에 해당하는 수준에서 떨어지기 전까지 얼마나 오래 유지되는지를 기록함으로써, 사슬이 형성되었는지 알 수 있었습니다. 이 유지 구간(plateau)이 길수록 사슬이 더 길다는 뜻입니다.

금(gold), 백금(platinum), 이리듐(iridium)은 모두 이러한 사슬을 형성한 반면, 화학적으로 유사한 금속인 로듐(rhodium), 팔라듐(palladium), 그리고 구리의 이웃인 은(silver)은 그렇지 않았고, 접점이 단일 원자에 도달하는 즉시 끊어졌습니다. 금, 백금, 이리듐은 또 다른 공통된 특성을 지니는데, 표면 최상층의 원자들이 자발적으로 재배열되어 더 조밀한 배열을 이룬다는 점입니다. 이는 로듐, 팔라듐, 은에서는 나타나지 않는 현상입니다. 연구진은 두 현상이 같은 원인에서 비롯된다고 제안합니다. 더 무거운 금속에서는 원래 서로 밀어내며 원자들을 떨어뜨려 놓을 전자들이 상대론적 효과(relativistic effects)에 의해 원자핵 쪽으로 더 가까이 끌려가고, 이 때문에 표면이나 얇은 사슬에서 이웃 원자들이 더 단단히 결합할 수 있다는 것입니다. 이는 여섯 가지 금속에 걸친 패턴으로부터 저자들이 제시한 설명일 뿐, 직접 측정된 원인은 아니지만, 구리가 그 이웃인 은, 팔라듐과 마찬가지로 어느 쪽 성질도 보이지 않는 이유를 설명해 줍니다.

별도의 연구는 단일 구리 원자를 선이 아니라 촉매로 활용했습니다. 광촉매(photocatalyst)는 빛을 이용해 화학 반응을 일으킵니다. 여기서 산화티타늄은 빛을 흡수해 전하 운반체를 생성하고 이것으로 물을 수소 기체로 분해할 수 있지만, 단독으로는 반응이 일어나기 전에 그 에너지 대부분을 재결합으로 잃어버립니다. 조촉매(cocatalyst)라 불리는 소량의 두 번째 금속을 추가하면 유용한 전하를 끌어내는 데 도움이 되고 수소를 방출하는 데 필요한 에너지를 낮춰줍니다. 백금(platinum)은 오랫동안 이 역할의 표준 조촉매였지만 희귀하고 비용이 많이 들어, 연구자들은 적어도 그만큼 효과적이면서 더 저렴한 대체재를 찾아왔습니다.

연구팀은 촉매를 밑바닥부터 쌓아 올렸습니다. 먼저 다공성 결정 구조체인 금속-유기 골격체(metal-organic framework)를 성장시킨 뒤, 구리 이온을 그 안에 직접 고정시키고, 이 물질을 가열해 고립된 구리 원자가 촘촘히 박힌 최종 산화티타늄 촉매를 만들었습니다. 이 방식 덕분에 구리를 뭉치지 않고 퍼뜨린 채로 무게 기준 거의 1.5퍼센트까지 담을 수 있었는데, 이는 중요한 조건이었습니다. 구리를 더 많이 담으면 원자들이 뭉쳐 나노입자를 이루면서 빛이 촉매에 도달하는 것을 막아 성능을 떨어뜨렸기 때문입니다. 그 결과로 만들어진 촉매는 시간당 그램당 101.7밀리몰의 수소를 생산해, 이에 상응하는 백금 담지 버전의 시간당 그램당 95.3밀리몰을 앞질렀고, 특정 파장에서 입사된 빛의 56퍼센트를 수소 생성 전하로 전환했습니다. 연구진은 이 수치가 이전에 보고된 이런 종류의 모든 산화티타늄 광촉매를 능가한다고 설명합니다. 이 촉매는 또한 6회의 반복 시험 주기와 380일간의 보관을 거치는 동안에도 계속 작동했으며, 성능 저하는 거의 없었고 남아 있는 구리량에도 작은 변화만 측정되었습니다.

세 번째 연구는 구리를 정반대 목적, 즉 전하의 흐름을 돕는 것이 아니라 막는 데 사용했습니다. DNA는 그 핵심을 이루는 쌓인 고리 모양 염기들을 따라 전하를 운반하는 분자 선(molecular wire)의 역할을 할 수 있으며, 연구자들은 이 성질을 나노 규모 전자회로에 활용하려 시도해 왔습니다. 작동하는 회로를 만들려면 이 전도를 켜고 끄는 방법이 필요한데, DNA 가닥의 한 지점을 원하는 대로 바꿀 손쉬운 방법이 없어 이는 어려운 과제였습니다.

연구진은 전극에 부착된 DNA 가닥 위에 작은 구리 원자 클러스터를 직접 성장시켰고, 이 구리 나노클러스터를 증착하면 DNA가 전하를 운반하는 능력이 차단되어 선이 꺼진다는 것을 발견했습니다. 같은 가닥을 구리 클러스터를 벗겨내는 화학 물질로 처리하면 전도가 회복되어 다시 켜졌습니다. 화학 처리 대신 전기 전위를 이용하면 스위치를 약 2초 만에 끄고 1초 이내에 다시 켤 수 있었으며, 이 주기는 여러 번 반복할 수 있었지만, 저자들은 반복적인 주기 진행에 따라 신호 손실이 조금씩 누적되었다고 언급합니다.