| 중국과학자 물분자 내부구조 촬영 성공 | ||
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 물은 일상생활에서 가장 흔하게 접할 수 있는 물질이지만 숨어 있는 비밀은 적지 않다. 중학교 교과서에서 물은 2개의 수소원자와 하나의 산소원자로 구성되었다는 것은 알고 있으나, 물분자가 도대체 어떠한 모양을 하고 있는지와 이들은 어떻게 물분자를 형성하고 있는지에 대해서는 모른다. 생명의 근원인 물의 독특한 수소결합구조에 대해서도 아직 밝혀진 바가 없다. 중국 북경대학 양자재료센터, 양자물질과학협동혁신센터의 쟝잉(江颖) 과제팀과 왕언거(王恩哥, 북경대 총장) 과제팀은 협력연구를 통해 물과학 분야에서 최초로 물분자의 내부구조를 촬영하여 실험을 통해 물의 수소결합 그물모양 구조를 직접 해석할 수 있게 되었다. 이 연구성과는 1월 5일 세계 권위 학술지 「Natural - materials science」 온라인에 발표되었다. 쟝잉과 왕언거는 논문의 공동 통신저자이고, 박사연구생 궈징(郭静), 멍샹즈(孟祥志)와 천지(陳基)는 공동 제1저자이며, 물리학원의 리신정(李新征)연구원과 양자재료센터의 스쥔런(施均仁)교수는 이론측면에서 지원을 하였다. 이 연구는 국가자연과학기금위원회, 과기부, 교육부와 북경대학으로부터 경비지원을 받았다. 물분자 내부구조를 촬영하는 것은 쉬운 일이 아니다. 물분자의 크기는 직경이 머리카락의 백만분의 1정도로 매우 작은데다가, 액체상태여서 빠르게 움직이기 때문에 촬영하기 힘들다. 첫 번째 난제는 적합한 기판을 선택하는 것이다. 촬영설비로 촬영하기 위해서는 전기 전도성이 있는 기판을 선택해야 하는데, 과거 과학자들은 금속 재질의 기판 위에서 물분자를 관찰하였다. 하지만 물분자와 금속사이에 존재하는 강한 상호작용으로 인해, 물분자 궤도가 금속 전자상태에 의해 가려지기 때문에, 기존의 물분자 사진은 대부분 외형만 흐릿하게 찍을 수 있고 내부구조는 관찰할 수 없었다. 중국 과학자들은 금속표면에 성장한 절연박막(염화나트륨)을 촬영 기판으로 삼아 물분자를 소금표면에 흡착시켜 관찰함으로써 물분자와 기판사이의 결합력을 크게 줄였고 물분자의 특정 궤도구조를 그대로 관찰할 수 있었다. 물분자 내부구조를 촬영하는데 있어서 다른 하나의 도전은 단일 물분자의 신호강도가 매우 약하여 실험장비에 대한 정밀도 요구가 높다는 점이다. 지난 3년간 쟝잉(江颖) 과제팀은 초고해상도의 SPM(Scanning Probe Microscope)에 대한 연구와 개발에 주력해왔고 단일분자 영상과 조종제어에서 경험을 축적하였다. 서브나노척도의 2차원 스핀 격자의 콘도효과(Kondo effect)에 대한 실공간 영상을 얻었다. 또한 단일 나프탈렌 프탈로시아닌 (Naphthalene phthalocyanine) 분자 내부의 서로 다른 진동모드의 공간분포를 관찰하였다. 그 밖에도 단일 기능분자내부의 화학결합에 대한 선택적인 조종제어를 실현하였다. 이를 토대로, 쟝잉과제팀과 왕언거과제팀은 협력을 통해 서브분자급 영상과 제어기술을 물과학분야에 응용하였고, SPM의 프로브를 top 그리드로 하여 picometer(1조분의 1미터) 정밀도로 탐침과 물분자사이의 거리와 결합강도를 제어하였고 물분자의 궤도상태 밀도를 페르미 준위(Fermi level)에 분포시킴으로써 영상의 신호:소음비를 크게 높였고 보다 뚜렷한 물분자 영상을 관찰할 수 있었다. 또한 고해상도의 물분자 이미지를 기반으로 물분자의 표면 방향성을 확정하였다. 2. 물의 특성을 이용하고 변화시키는 것이 가능해졌다 물 한방울 속에는 수억개의 물분자가 들어있다. 이러한 물분자들이 어떻게 결합되어 눈으로 볼 수 있는 물방울의 모습을 하고 있는지에 대하여 과학자들은 물분자를 촬영할 때에 이 점에 대해서도 중요한 발견을 하였다. 과거에 과학자들은 물분자와 물분자 사이에는 수소결합으로 연결되었고 수소결합의 구조와 방향성은 물의 많은 특성을 결정한다는 점을 알았다. 물의 수소결합의 그물모양 미시구조를 확정 짓는 물과학 분야의 핵심과학문제가 되었다. 물분자 내부구조와 공간 방향성을 촬영할 수 있다면 실험을 통해 물의 수소결합 그물모양 구조를 직접적으로 해석할 수 있는데 이는 많은 과학자들이 꿈꾸어 오던 것이었다. 중국 과학자들은 단일 물분자 내부구조의 촬영 외에도, 4개의 물분자로 구성된 물 클러스터(Water clusters)를 관찰하였고, 고해상도의 궤도 이미지를 통해 최초로 물 클러스터의 미시적 수소결합 모형을 해석하였으며, 물분자 사이에 수소결합을 통해 연결될 때 일정한 방향성이 존재한다는 점도 발견하였다. 제1원리계산과 결부시켜 연구원은 과거 보고된 소금표면의 물 클러스터는 모두 가장 안전한 모형은 아님을 발견하였고 전혀 새로운 4합체(tetramer) 흡착구조라는 관점을 제출하였다. 물분자 내부구조는 어떠한 모양을 하고 있으며, 물분자와 물분자 사이에는 어떻게 연결되는지, 물분자는 고체표면에 따라 어떠한 서로 다른 변화를 일으키는지, 이러한 문제에 대한 기초연구는 물의 특성을 이용하고 변화시키는데 도움을 주며 현실 생활에서도 광범위하게 응용된다. 과제팀 책임자는 현재 이슈가 되고 있는 PM2.5는 본질적으로 하나의 ㎛급(1㎛ = 1/1,000,000m) 분진으로 대기중의 중요한 응결핵이며, 외부표면에는 한층의 물로 둘러싸여 있다고 설명했다. 위의 연구를 통해 발전시킨 물분자 고해상도 영상기술을 이용해 다양한 분진표면에 둘러싸인 한층의 물의 미시적 구조를 해석할 수 있다면 환경과학자들에게 도움을 줄 것이다. 또한 그들이 화학 혹은 물리적인 방법으로 분진외부 수증기의 응결을 강화시키거나 혹은 분진간의 상호 결합을 촉진시켜 PM2.5 분진을 직접 지면에 침강시키기 때문에 대기오염 방지에 크게 기여할 것으로 기대된다. 정보출처 : http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2014/1/287617.shtm |
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