[중국] 물 단분자층 고전적 현상 고찰
극 모델 표면 위의 물 단분자층 수액 방울이 상온에서 관찰되었다. 연구진은 물을 완전히 젖게 만들지 않는 정렬된 물 단분자층이라고 이를 일컫었다. 푸른 하늘과 흰 구름은 실온을 나타낸다. 녹색 구체는 고체 표면을 의미하고, 은색 구체는 정렬된 물 단분자층을 나타낸다. 그리고 빨간색과 흰색으로 된 구체는 수액 분자의 산소 및 수소 원자를 뜻한다.
상온에서 물이 다른 물과 접촉하는 것을 육안으로 관찰했을 때, 그것은 퍼져서, 결국에는 서로 뭉치는 것을 볼 수 있다. 2009년, 중국의 연구진은 상온에서 물 단분자층 위의 수액 물방울 형성을 최초로 관찰한 논문을 발표했으며, 이를 물을 완전히 적시지 않는 정렬된 물 단분자층 현상이라 칭했다. 그 이후, 이 현상은 전 세계 많은 연구진의 수치 시뮬레이션과 실험을 통해서, 많은 실제 표면에서 연구되었다.
고체나 액체 계면에서의 물 분자 규모의 행동은 석유 채굴의 효율성이나 생물학적 분자의 활동에 이르는 범위의 다양한 기술적, 과학적 맥락에서 상당히 중요한 의미가 있다. 최근, 물리적 상호 작용이나 표면 형태학 모두는 계면수(interfacial water)의 행동이나 물 표면, 그리고 표면의 습윤 속성에 상당한 영향을 미친다고 인식되었다. 새로운 연구에서, 상하이 응용 물리학 연구소의 Chunlei Wang과 Yizhou Yang 그리고 Haiping Fang은 상온이나 극저온의 다양한 고체 표면에서, 질서 특성을 드러내는 계면수의 이해를 원자 규모에서 향상시키는 논문을 발표했다.
최근 수십 년간, 컴퓨터 시뮬레이션 도구나 실험적 도구의 개발로, 계면 근처에서의 복잡한 수소와 물 구조의 결합 망을 원자 규모에서 관찰하는 것이 가능해졌다고 그들은 보고했다. “그러한 도구를 활용하여, 연구진은 물 구조가 초저온에서나 실온 모두에서, 그것의 표면 형태에 따른 흥미로운 질서 구조를 보여준다는 것을 밝혀냈다. 이러한 물의 질서 구조는 새로운 통찰력을 제공할 뿐만 아니라, 표면 전기화학적 속성이라든가, 표면 습윤 행동, 그리고 표면 마찰과 같은 다양한 표면 속성에도 영향을 미친다.우리는 기본적 메커니즘을 따라서, 실온에서의 실제 고체 표면이나 모델을 통해, 물을 완전히 젖게 하지 않는 정렬된 물 단분자층의 습윤 현상에 관한 연구에 온갖 노력을 쏟고 있다”고 그들은 설명했다. 연구진은 이들의 연구 결과를 베이징 기반의 과학 저널인 Science China Physics, Mechanics & Astronomy에 발표했다.
고전적 이해에 따르면, 물이 다른 물과 접촉할 때, 그것은 퍼지면서, 결국에는 서로 혼합한다. 물은 물 분자 간에 형성된 수소 결합으로 말미암아, 항상 물을 완전히 젖게 만든다. 2005년 금속 백금 표면에서 얼음을 완전히 적시지 않는 얼음 단분자층이 매우 낮은 온도에서 관찰되었다. 수액이 거의 모든 생물학적 과정에서 필수적이라는 것은 잘 알려진 사실이다. 따라서 만약 이러한 수액의 예외적인 행동이 존재한다면, 그것은 다양한 생물학적 행동을 이해하는 데에 매우 중요할 것이다.
비교적 최근까지, 이 현상은 실온에서 관찰되리라 예상되지 않았다. 초전도체나 보즈-아인슈타인 응축물과 마찬가지로, 초저온에서 얻어진 이 결과는 새로운 메커니즘이 소개되지 않는 한, 실온에서 관찰된 그것에 전이할 수 없을 것이다. 실온에서의 열 변동은 일반적으로 물 단분자층에서 수소 결합 망을 파괴하고, 단분자층과 다른 물 분자 간에 형성된 더 많은 수소 결합을 이끈다. 따라서 실온에서의 물 단분자층은 완전히 물을 적신다고 기대했었다. 그러나 2009년, Haiping Fang과 그의 동료는 실온의 극 모델 표면에서, 물 단분자층의 수액 방울을 계수적으로 관찰하였으며, 이러한 현상을 “물을 완전히 젖게 하지 않는 정렬된 물 단분자층(Phys. Rev. Lett. 2009, 103, 137801)”이라고 일컫었다.
물 단분자층은 항상 물을 완전히 젖게 한다는 고전적 사실에 대한 도전으로 이 연구는 시작되었다. 이들의 연구는 소수성(hydrophobicity)과 친수성(hydrophilicity)의 이해를 확장했다. 이에 관련한 메커니즘은 단분자층과 그 단분자층 위에서 접촉하는 물 분자 사이에서 형성되는 수소 결합의 가능성을 낮게 하는 정렬된 물 구조에 달려 있다. 실온의 물 단분자층에 남겨진 몇몇 OH 결합에 우리는 주목해야 한다. 이전의 연구에서는 백금이나 운모 표면 위의 정렬된 물 단분자층에 남겨진 OH 결합을 고려하지 않았다. 지난 몇 년 동안, 더 많은 과학자가 실험적으로나, 계수적으로, BSA-Na2CO3 막인 COOH 단자를 가진 자기-조립 단분자막(SAM)이나 아나타제와 루틸 TiO2 표면, 탈크 표면, 백금 표면, 수산화된 AI2O3 표면, 그리고 수산화된 SiO2 표면 등을 포함한 실제 표면 위에서 물 단분자층의 수액 방울 현상에 관해 연구했다.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 7월 21일]
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Scientists challenge classical phenomenon that water always completely wets water
viewed macroscopically at room temperature, when water contacts other water, it will spread out and finally both mix together. In 2009, Chinese researchers first reported observing the formation of a liquid water droplet on a water monolayer at room temperature, and termed the phenomenon an ordered water monolayer that does not completely wet water. Since then, this phenomenon has been observed on many real surfaces by numerical simulations and experiments by research groups worldwide.
The molecular scale behavior of water at a solid/liquid interface holds fundamental significance in a diverse set of technical and scientific contexts, ranging from the efficiency of oil mining to the activity of biological molecules. Recently, it has become recognized that both the physical interactions and the surface morphology have significant impact on the behavior of interfacial water, including the water structures and wetting properties of the surface.
In a new review, Chunlei Wang, Yizhou Yang and Haiping Fang of the Shanghai Institute of Applied Physics report recent advances in atom-level understanding of interfacial water that exhibits an ordered character on various solid surfaces at room or cryogenic temperature.
In recent decades, they report, "with the development of computer simulation tools and experimental tools, it is possible to obtain atomic level pictures of the water structure and the complex hydrogen bond network near the interfaces."
"Utilizing these tools, researchers have revealed that water structure may show appealing ordered structures depending on the surface morphology both at cryogenic temperatures and room temperature," they explain. "These ordered structures of water not only exhibit novel pictures but also affect the various surface properties, such as the surface electrochemical property, surface wetting behavior and surface frictions, etc."
"Special focus has been devoted to the wetting phenomenon of an "ordered water monolayer that does not completely wet water," along with the underlying mechanism, on model and real solid surfaces at room temperature," they report in the Beijing-based journal SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy.
The three scholars likewise outline possible applications of this phenomenon.
According to classical understanding, when water contacts other water, it will spread out and finally both mix together, i.e., water always completely wets water due to the hydrogen bonds formed among water molecules. In 2005, an ice monolayer that did not completely wet ice on metal Pt(111) surfaces was observed at extremely low temperatures.
It is well known that liquid water is essential for almost every biological process. Thus, if this exceptional behavior of liquid water exists, it might be crucial in understanding many biological activities.
Until relatively recently, this phenomenon had not been expected to be observed at room temperature. Like the superconductor and Bose–Einstein condensation, results obtained at cryogenic temperatures are usually not transferable to those observed at room temperature unless a new mechanism is introduced.
At room temperature, thermal fluctuations usually break the hydrogen bond networks in a water monolayer and lead to more hydrogen bonds formed between the monolayer and other water molecules. Thus, the water monolayer at room temperature is expected to completely wet water.
However, in 2009, Haiping Fang and co-researchers numerically observed a liquid water droplet on a water monolayer on a polar model surface at room temperature, and termed the phenomenon an "ordered water monolayer that does not completely wet water" (Phys. Rev. Lett. 2009, 103, 137801).
This began to challenge the classical picture that a water monolayer always completely wets water. This work expanded understanding of hydrophobicity and hydrophilicity. The related mechanism lies in ordered water structures that reduce the possibilities of hydrogen bonds formed between the monolayer and the contacting water molecules above the monolayer. It should be noted that there remained a considerable number of dangling OH bonds in this room temperature water monolayer, in contrast with previous studies that did not report dangling OH bonds in the ordered water monolayer on a Pt(111) surface and a mica surface.
Over the past several years, more scientists have observed the phenomenon of a liquid water droplet on a water monolayer, both experimentally and numerically, on real surfaces including a self-assembled monolayer (SAM) surface with the terminal of –COOH, a BSA(bovine serum albumin)-Na2CO3 membrane, and an anatase and rutile TiO2 surface, a talc surface, a Pt(100) surface, a hydroxylated Al2O3 surface, a hydroxylated SiO2 surface.
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