기계/재료

2차원 얼음의 존재 및 성장 메커니즘 최초 입증

발행일 : 2020 / 01 / 03

베이징대학교, 미국 네브래스카대학교 링컨캠퍼스(University of Nebraska-Lincoln), 중국과학원 연구팀은 공동으로 고해상도 qPlus형 원자힘 현미경(atomic force microscope) 기술을 이용해 최초로 2차원 얼음의 존재를 실험적으로 입증하였다. 아울러 그 형성 과정을 원자급 해상도에서 영상화함으로써 그 특이적 성장 메커니즘을 규명하였다. 해당 성과는 “Nature”에 게재되었다.

지난 100여 년 동안 발견된 얼음의 3차원 구조는 총 18종인데 그 중 가장 흔한 종류가 바로 날리는 눈꽃, 더위를 식히는 얼음덩이, 남극의 두터운 얼음층 등 육각형 얼음상(ice phase)이다. 하지만 자연계에 안정적 2차원 얼음이 존재하는지 여부를 입증할 확실한 실험적 증거가 없다.

연구팀은 온도, 수압 정밀 조절 하에 소수성 금 기질(Au substrate) 위에서 최초로 단일결정 2차원 얼음 구조를 성장시켰다. 또한 비간섭적 원자힘 현미경 이미징 기술을 2차원 얼음의 아분자급 해상도 영상화에 응용함과 아울러 이론적 계산을 결합시켜 그 원자 구조를 확정하였다.

연구 결과, 2차원 얼음은 2개 층 육각얼음이 무회전 적층되어 형성된 것으로 2개 층 사이는 수소결합으로 연결되며 각각의 물분자는 동일 층 물분자와 3개 수소결합을 형성하는 한편 위아래층 물분자와 1개 수소결합을 형성하는 관계로 모든 수소결합은 전부 포화되었고 그 구조 또한 매우 안정적이다. 다시 말해 독립적으로 존재할 수 있는 “자기포화(self-saturating)” 2차원 얼음이다. 이는 실험적으로 입증된 첫 번째 종류의 2차원 얼음 구조이기에 “2차원 얼음 I상”이라 명명하였다.

2차원 얼음이 어떻게 형성되는지를 확인하기 위해 연구팀은 2차원 얼음을 영하 153℃에서 영하 268℃로 급냉동시킴으로써 얼음 성장 과정의 일련의 중간상태를 동결시켰다. 이로써 안정적인 이미징을 구현함과 아울러 2차원 아이슬란드 톱니형 경계의 “가교”식 성장 및 팔걸이의자형 경계의 “파종”식 성장 메커니즘을 제안하였다.

해당 발견은 100여 년래 형성된 얼음상에 대한 전통적 인식에 도전장을 내밀었다. 2차원 얼음이 존재할 경우, 3차원 얼음은 표면을 따라 성장하기에 매우 견고하지만 2차원 얼음이 존재하지 않을 경우, 형성된 3차원 얼음과 표면의 접촉면이 매우 작아 쉽게 바람에 날려갈 수 있다. 따라서 2차원 얼음 구조에 근거한 더 목적성 있는 결빙방지재료 설계 및 개발이 가능하다. 그리고 2차원 얼음을 이용해 재료 사이 마찰을 줄일 수도 있다. 이외, 2차원 얼음은 일종의 특수한 2차원 재료로서 향후 고온 초전도성, 심자외선 탐지, 저온전자현미경 이미징 등 연구에 참신한 플랫폼을 제공할 전망이다.

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