고상의 물질 표면에 존재하는 물 분자의 3차원 구조를 밝혀줄 새로운 연구결과가 발표되었다.

 

연구진은 극저온 주사터널링현미경(cryogenic scanning tunneling microscope) 분석을 통해서 고상의 물질 표면에 존재하는 물 분자의 O-H 방향성을 분석하는데 성공했다.

 

이번 연구는 분자 시스템 및 다양한 물질을 분석하는데 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

고상 물질의 표면과 물의 상호 작용은 재료과학을 비롯한 여러 과학영역에서 매우 중요한 부분을 차지한다.

 

물과 고상 물질의 경계면에서 일어나는 화학적인 반응 및 물리적인 특성은 다소 이해하기 힘든 영역에 속해 있다.

불 분자간의 수소(H)결합으로 표현될 수 있는 이러한 특성은 물을 연구하는 과학 분야인 워터사이언스(water science)에서 매우 중요한 부분을 차지한다. 이러한 부분적인 현상을 이해하고 밝혀내기 위해서는 물 분자의 자유도를 정확하게 이해하고 측정하는 것이 중요하다.

이는 산소-수소 결합의 방향성을 이해하는 것으로부터 시작된다. 그러나 물의 내부 구조를 명확하게 규명하고자 하는 연구는 지금까지 많이 진행되었지만 아직 여전히 많은 해결해야만 하는 과제들을 남겨두고 있다. 지난 수 십 년 동안 연구에서 수소의 미세한 크기와 질량의 문제는 물의 내부 구조를 밝히는 데에 걸림돌이 되고 있다.

최근 베이징대학(Peking University)의 ICQM(International Center for Quantum Materials)의 Ying Jiang 교수와 Enge Wang 교수 연구가 이끄는 연구진은 분자 단위보다 더 작은 수준에서 물을 정밀하게 관찰할 수 있는 새로운 고해상도 분석기술을 발표했다.

연구진은 극저온 주사터널링현미경(STM)을 기술을 이용하여 NaCl(001) 기판 위에 흡수된 물 분자의 구조를 밝혀내는데 성공했다. 실험에서 온도는 5K로 유지되었으며, NaCl은 금 기판 위에 형성되었다. 연구진은 이번 실험에서 모노머 물분자와 테트라 물 분자의 이미지를 얻는데 성공했다.

연구진은 금속 기판과 물 분자의 결합을 전기적으로 분리시킨 후 그 사이에 NaCl 층을 삽입하였다. STM 팁을 이용하여 페르미 레벨에 위치하는 물의 분자 밀도를 조절하는데 성공했다. 이러한 기술은 분자의 오비탈을 이미지화하는데 매우 효과적이다.

특별히 물 분자의 3차원 구조를 분석하는데 큰 도움이 된다. 연구진은 불 분자 내부의 수소결합의 방향성을 측정할 수 있게 되었다. 이러한 실험을 통해서 물 분자의 3차원 오비탈 구조를 해석할 수 있게 되었다.

이번 연구결과는 분자해상도 수준 이상에서 물 분자의 실제 공간구조를 보여주고 있다. 이번 연구는 원자 수준에서 물과 고상 물질과의 표면 반응 및 수소 결합의 구조를 정밀하게 분석할 수 있는 새로운 길을 제시하고 있다.

지금까지 이러한 것은 주로 이론적인 계산에 의해서만 가능한 것이었다. 연구진은 향후 물 분자 내에서 수소와 산소 결합의 방향성을 측정하는 것 외에도 물 분자 내부의 수소와 산소의 결합을 조절하는 연구를 진행할 것이라고 밝혔다.

이러한 오비탈 이미지 처리 기술은 STM 기술에 대한 깊은 이해로부터 출발한다. 연구진은 STM 기술이 분자 시스템과 물질의 연구에 큰 활력을 불어 넣을 수 있을 것이라고 기대된다고 말했다.

이번 연구는 저널 Nature materials에 "Real-space imaging of interfacial water with submolecular resolution"이라는 제목으로 게재됐다. doi:10.1038/nmat3848

그림. NaCl(001) 기판 위에 흡수된 모노머와 테트라 물 분자의 3차원 주사터널링현미경 사진(a), (b)와 (c)는 각각 모노모 물의 HOMO와 LUMO의 이미지, (d)와 (e)는 수소 결합 키랄을 가지는 테트라 물 분자의 HOMO 이미지, (f)에서 (i)는 HOMO와 LUMO의 계산된 오비탈의 개략도