물은 고체 계면 근처에서 준-2차원 구조를 가지는 정렬된 층들로 형성될 수 있다. 이런 정렬된 물 구조를 통한 용매화 역학(solvation dynamics)과 이온 전달 현상은 계면 과학의 다양한 문제들과 직접적으로 관련되어 있다. 분자 역학 시뮬레이션은 산화물 계면 근처에서 발생하는 염소 이온 밀도의 국부적인 변화가 구조에 어떤 영향을 끼치는지를 조사하는데 사용되었다. 이번 연구진은 물-MgO (100) 계면 근처에서 임계 농도 이상의 염소 이온의 국부적인 증가가 구조의 정렬-무질서 전환을 유도할 수 있다는 것을 증명했다.
눈 덮인 도시에서 자동차를 소유하거나 바다에서 보트를 소유한 사람들은 부식으로 인해서 고통을 받고 있다. 세계에서 가장 일반적이고 고가의 화학 반응 중 하나인 부식은 물과 금속 표면 사이의 계면에서 종종 일어난다. 과거에, 부식 프로세스는 금속 측면에서 대부분 조사되었다. 미 에너지부의 아르곤 국립연구소(Argonne National Laboratory)의 연구진은 다른 측면에서 이 문제를 조사했다. 이번 연구진은 금속 표면 근처에 위치한 용존 이온들의 영향을 알기 위해서 물의 동역학을 조사했다.
이번 연구진은 금속 산화물 표면이 부식될 때 물속의 용해된 이온들의 물리적 및 화학적 동역학을 원자 크기로 시뮬레이션하는데 성공했다. 물 기반의 용액들은 그들 스스로 있을 때와 금속 또는 산화물 표면의 근처에 있을 때에 굉장히 다른 반응 특성을 가진다. 그러나 물속의 화학적 이온들이 표면과 상호작용하는 방법은 아직까지 논쟁 중에 있다.
낮은 염소 조건 하에서, 물은 강한 수소 결합의 영향 때문에 고체 계면 근처의 정렬된 2차원의 층을 형성하는 경향을 가진다. 그러나 이번 연구진은 특정 임계값 이상의 염소 이온 비율 때문에 용액이 표면 근처에서 정렬된 구조를 잃어버리고 물과 유사한 행동을 하기 시작한다. 이런 구조적 전환은 재료의 부식 속도를 증가시킬 뿐만 아니라 용액의 동결 온도를 증가시키는 역할을 한다.
금속 표면 근처의 정렬된 구조와 무질서한 구조 사이의 전환은 나노세컨드(nanosecond) 정도로 매우 빠르게 일어난다. 이런 화학적 반응 속도는 아르곤 국립연구소의 Blue/Gene Q 슈퍼컴퓨터인 Mira에 적용하는데 필수적인 특성이다. 고성능 컴퓨터의 전기화학적 산화물 계면을 조사함으로써, 아르곤 국립 연구소의 연구진은 하버드 대학(Harvard University)과 미주리 대학(University of Missouri)의 연구진과 함께 Mira의 성능을 향상시키는데 성공했다.
더 강력한 시뮬레이션으로 이런 반응을 조사하는 것은 서로 다른 시나리오를 가진 부식 속도를 추정할 수 있는 기회를 제공할 것이다. 이 연구결과는 부식 반응에 대한 기초적인 상황을 더 잘 알 수 있게 할 것이고, 재료의 안정성과 수명을 향상시키기 위해서 재료 표면을 조절할 수 있는 방법을 제공할 것이다. 이 연구결과는 저널 Physical Review E에 “Chloride ions induce order-disorder transition at water-oxide interfaces”라는 제목으로 게재되었다(DOI:10.1103/PhysRevE.88.062119).
즐겨찾기 추가 
시작페이지로 설정
