금은 비활성된 게 아니라, 보호해 주는 보디가드가 있을 뿐이다.

이를 확인하기 위해 연구진은 각기 다른 금 표면에서 산소 분자의 거동을 조사했습니다. 산소 분자가 표면에 얼마나 잘 붙는지, 그리고 붙은 분자를 분해하기 위해 필요한 에너지는 얼마인지를 물었습니다. 그 결과, 벌크 금에서 흔히 관찰되는 육각형 구조는 산소를 크게 붙잡지 못하고 산소 분자의 구조도 변형되지 않는다는 것을 밝혀냈습니다. 즉, 산소 분자를 반응 가능한 두 원자로 분해하려면 여전히 많은 에너지가 필요합니다.

반면에 금 구조가 정사각형 패턴일 경우, 산소 분자는 표면에 쉽게 달라붙고 변형되어 결국 분해되며, 반응에 이용될 수 있게 됩니다(실제로 이러한 조건에서는 금 자체도 산화됩니다). 연구진은 정사각 격자 금 표면이 백금과 같은 일반적인 촉매 금속만큼 활성이 높다고 추정했습니다.

Hiding your sensitive bits

금 표면은 금 원자들이 표면에서 쉽게 재배열된다는 점에서도 상당히 활발합니다. 원자들이 움직이면서 노출된 평평한 정사각 격자를 약간 거친 비활성 육각형 격자로 바꾸게 됩니다. 그러나 이러한 변화, 즉 표면 재구성은 아무 방식으로든 일어날 수 없습니다. 대신 원자들은 노출된 면을 덮는 2차원 반복 구조를 형성하도록 움직이며, 완전한 반복 단위를 만들기 위해 필요한 면적이 상당히 큽니다. 금 덩어리에서는 원자가 충분히 많아 문제가 되지 않으며, 각 표면은 거의 완전히 불활성 상태가 됩니다.

나노입자에서는 상황이 다릅니다. 원자의 수가 제한되어 있어 표면 재구성을 위한 충분한 원자나 공간이 부족합니다. 따라서 원래 불활성으로 알려진 물질이 갑자기 그 진면목을 드러내어 반응하고 촉매 역할을 하게 됩니다.

이 연구들은 표면 화학과 촉매 작용의 세부 사항이 얼마나 복잡할 수 있는지를 보여줍니다. 불활성 금속이 물질 부피의 변화만으로도 활성을 얻었다가 다시 불활성으로 돌아갈 수 있습니다. 또한 촉매 연구에 새로운 길을 열어 주지만, 금이 곧 주요 촉매제로 자리 잡을 것이라고는 생각하기 어렵습니다.

Physical Review Letters, 2026, DOI: https://dx.doi.org/10.1103/g3bc-t1qv