| 물의 양자 효과 최초로 규명 | ||
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 왼쪽 그림은 주사형 터널 현미경으로 물의 양자 효과를 측정한 설명도이다. 오른쪽 그림은 단일 물분자의 비탄성 전자터널링 분광법이며 여기에서 물분자의 여러가지 움직임을 구별할 수 있으며 수소핵의 양자 운동이 수소결합에 미치는 영향을 정확히 관측할 수 있다. (그림 디자인: 량밍청) 최근 중국과학원 원사이며 베이징대학 교수인 왕언거(王恩哥)와 베이징대학 쟝잉(江颖) 교수 연구팀은 세계 최초로 물의 양자 효과를 규명하였으며 새로운 관점으로 물의 신비로운 비밀을 해석하였다. 해당 연구 성과는 2016년 4월 15일《science》잡지에 발표되었다. 최근 연구팀은 수소핵 양자 특성의 정확한 탐지와 해석을 위해 관련 실험기술과 이론에서 새로운 방법을 모색하였다. 연구팀은 수소핵에 민감한 초고해상도 주사탐침현미경으로 제1원리 기반의 경로 적분 분자동역학 방법(양자화 계산)을 개발하여 단일 물분자 내부 자유도 영상과 물의 수소결합네트워크 구성의 직접적인 식별을 구현하였으며 이를 토대로 수소핵의 동적 이동과정을 탐지하였다. 최근, 연구팀은 주사형 터널 현미경 기반의 “팁 강화(Tip Enhanced) 비탄성 전자터널링 분광법” 기술을 개발함으로서 기존의 비탄성 전자터널링 분광법 기술이 신호대잡음비(SNR)와 해상도 방면에서의 어려움을 해결하고 세계 최초로 단일 물분자의 고해상도 진동 스펙트럼을 획득하였으며 단일 수소결합의 강도를 측정하였다. 제어할 수 있는 동위 원소 교체 실험과 양자화 계산 시뮬레이션 결합을 통하여 연구팀은 수소결합의 양자 요소가 실온에서의 열에너에 비하여 훨씬 더 많다는 것을 발견하였다. 이는 수소핵의 양자 효과는 고전적 상호작용에 대한 간단한 수정 뿐만 아니라 물의 구조와 성질에 대하여 뚜렷한 영향을 미친다는 것을 입증한다. 또한 수소결합의 비조화 영점운동은 약한 수소결합을 약화시키고 강한 수소결합을 강화시킨다. 해당 물리 영상은 다양한 수소결합 시스템에 있어서 일정한 보편성을 갖고 있으므로 학술계에서 오랫동안 해결하지 못한 수소결합 양자 본질을 밝혔다. 쟝잉과 왕언거는 각각 해당 연구의 실험과 이론 부분을 담당하였다. “물의 구조는 무엇인가”는 《science》잡지에서 창간 125주년 특집호에서 제안한 125개중 가장 어려운 과학문제 중의 하나이다. 물구조가 이렇게 복잡한 주요 원인의 하나가 바로 물분자간의 수소결합 상호 작용에 있다. 일반적으로 수소결합의 본질은 고전적 정전기 상호 작용이라고 생각했다. 하지만 수소 원자의 핵질량이 아주 작고 또한 양자의 특성(양자 터널링과 양자 파동)을 무시할 수 없기에 수소결합은 동시에 일정한 양자 요소를 함유하고 있다. “수소핵의 양자 효과는 수소결합의 상호 작용에 대체 얼마나 많은 영향을 미치는가?” , “수소결합의 양자 요소가 대체 얼마나 많은가? ” 등 문제는 물/얼음의 미세구조와 변칙적 물리적 성질(Anomalous physical properties)의 이해에 중요한 역할을 한다. 하지만 수소핵의 양자화 연구는 실험이나 이론에 대하여 아직도 어려운 과제로 되고 있다. 정보출처 : http://scitech.people.com.cn/n1/2016/0418/c1007-28282994.html |
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