분자들이 자신의 크기보다 약간 더 큰 공간에서 서로 배열하고 운동하는 현상, 빛이 파장보다 작은 공간에서 움직이는 양상은 아직도 알려진 게 많지 않은 미지의 영역이다. 공학적으로는 1차원과 2차원 물질이 만들어내는 저차원 공간 내 물질전달 현상을 탐구하면 차세대 배터리 등 미래 에너지기술과 해수담수화 등 지속가능성 기술에서의 혁신을 이뤄낼 수 있다.

박형규 기계공학과 교수가 이끄는 ‘에너지 및 지속가능성 지향 나노과학 연구실’은 분자 수준의 나노 물질이 만들어내는 협소한 공간에서 일어나는 독특한 현상을 탐구한다. 이를 통해 에너지 환경 분야 미래 기술인 ‘멤브레인 플랫폼’과 초정밀 화학 센서 응용 가능성을 엿본다. 멤브레인은 특정 기체나 액체를 차단하는 얇은 막을 의미한다.

에너지 및 지속가능성 지향 나노과학 연구실에는 세부적으로 총 5개의 연구실이 있다. 우선 다공성 그래핀 합성 연구다. 대표적인 2차원 물질로 ‘꿈의 소재’로 불리는 그래핀에 작은 구멍을 뚫으면 원자 두께의 멤브레인을 만들 수 있다. 이렇게 자연이 허락하는 범위 내에서 가장 얇은 멤브레인을 통과하는 물질은 저항이 거의 없는 특성을 띤다. 반도체를 만들 때 사용되는 화학기상증착법을 통해 그래핀 합성 조건을 개발하고 다공성 그래핀을 한번에 합성하는 기술을 이미 확보했다.

두 번째 연구실은 2차원 물질을 차곡차곡 쌓을 때 그 사이에 만들어지는 공간을 제어해 이 공간을 통과할 수 있는 물질의 특성을 찾고 있다. 대표적인 2차원 물질인 이황화몰리브덴 조각을 적층시켜 만든 막을 투과하는 물질 전달 양상을 연구하고 있다.

3세부 연구실에서는 앞선 연구실에서 합성한 멤브레인 소재를 에너지기술과 환경기술에 적용하기 위해 공학적으로 디자인하고 실험을 통해 검증한다. 해수 담수화나 수소나 이산화탄소 등의 기체 분리, 차세대 배터리 등이 핵심 응용 분야다.

4세부 연구실은 멤브레인에서 물질 분리, 합성의 양상을 직접 관찰하기 위한 초고정밀도 화학 센싱 기술을 연구하고 있으며, 5세부 연구실은 이론그룹으로서 기존의 이론으로 설명하기 어려운 저차원 공간 내 유체 움직임의 물리학을 연구하고 있다.

박형규 교수는 “저차원 물질의 공학적 조작과 나노미터 수준에서의 물질의 움직임에 관한 이해를 바탕으로 해수 담수화, 기체 분리, 차세대 배터리 등 미래 에너지 환경 기술 분야에서의 혁신을 이끌어낼 가능성을 제시하고 있다”고 말한다.