충격파관 실험과 밀도 범함수 이론(DFT)을 이용한 상전이 메커니즘 규명 관련 논문 게재

계명대학교 기계공학과 김익현 교수 연구팀은 철 황화물(FeS)을 충격파 유동을 이용하여 새로운 결정상으로 전환하고, 이를 밀도 범함수 이론(DFT)을 통해 정밀하게 분석한 연구 결과가 국제 저널 영국왕립화학회에서 발간하는 RSC Advances에 게재됐다. 

(논문 제목:Shock wave-driven phase transition of iron sulphide for enhanced photocatalytic application: a combined experimental and DFT approach)

연구팀은 자체 개발한 소형 충격파관(shock tube)을 활용해 마하수 1.7의 고속 충격파를 철 황화물 나노입자에 반복적으로 조사하고, 그 결과 600회의 충격 이후 철 황화물이 완전히 산화철(a-Fe₂O₃)로 상전이됨을 실험적으로 확인했다. 

이번 연구의 핵심은 충격파 실험 결과를 밀도 범함수 이론(DFT)을 기반으로 정량적으로 분석했다는 점이다. 전자 밀도 상태(DOS), 밴드 구조, 결합 특성 등을 면밀히 해석하여, 충격파에 의한 상전이가 금속성 FeS를 반도체 성질의 산화철로 변화시킨다는 점을 이론적으로 입증했다. 또한, FeSO₄와의 반응 에너지 비교를 통해 실험에서 관찰된 상전이 경로의 열역학적 안정성도 확인하였다.

특히, 계산 결과는 FeS–O₂ 반응 내 두 가지 산화 생성물(a-Fe₂O₃ 및 FeSO₄)의 형성 반응 에너지를 정밀 비교하였으며, 실험에서 관찰된 a-Fe₂O₃ 생성 경로가 열역학적으로도 타당함을 입증하였다. 충격파에 의해 형성된 산화철은 기존보다 넓은 빛 흡수 영역과 향상된 전하 분리 효율을 보여, 메틸렌 블루(MB) 염료 분해 실험에서 최대 91.2%의 분해율을 나타내었다.

김익현 교수는 “이번 연구는 물질을 어떻게 물리적으로 자극해 새로운 전자구조와 기능성을 부여할 수 있는지를 보여주는 사례”라며 “충격파 실험과 DFT 계산을 결합한 분석 기법은 향후 고성능 나노소재 설계의 중요한 방향성을 제시한다”고 설명했다.

이번 연구는 계명대학교 충격파 및 기체역학 실험실의 Surendhar 연구원과 김익현 교수가 각각 제 1저자, 교신저자로 참여해 수행됐으며, 한국연구재단의 우수신진연구사업의 지원을 통해 수행되었다.

관련논문 링크: https://doi.org/10.1039/D5RA03559G