| [프랑스] 물 분자의 새로운 양자 특성을 밝혀낸 연구
프랑스 라우에 랑게빈(Laue-Langevin) 연구소의 연구진은 C60 분자를 더 작은 수소 분자 안에 집어 넣는 실험이 수행되었다. 이 결과는 "Confirming a Predicted Selection Rule in Inelastic Neutron Scattering Spectroscopy: The Quantum Translator-Rotator H2 Entrapped Inside C60" 라는 제목으로 Physical Review Letters 저널에 발표되었다. 이것은 분자에서 발견된 양자 선택 법칙을 처음으로 밝혀낸 실험이다.
비슷한 기술이 동일한 연구진에 의해서 사용되어 C60 케이지를 가진 물 분자들의 새로운 대칭 붕괴 상호작용을 발견하였다. 이 연구 결과는 지난달 "Symmetry-breaking in the endofullerene H2O@C60 revealed in the quantum dynamics of ortho and para-water: a neutron scattering investigation"이라는 제목으로 Physical Chemistry Chemical Physics 저널에 발표되었다.
첨단 분자 제어 기술을 이용하여 더 작은 분자를 포획하기 위한 C60과 같은 풀러렌의 사용은 이미 지난 10년 동안의 연구를 통해서 많은 진전을 이루었다. 일련의 복잡한 화학 반응이 C60 케이지의 구멍을 열기에 필요하다. 이것은 더 작은 분자들이 높은 압력으로 주입되어 막힌 구조를 형성하게 한다. 결과적인 복잡한 구조는 분광 기술을 이용하여 포획된 분자를 조사할 수 있는 이상적인 나노실험실 환경을 제공하여 준다.
연속적으로 입사되는 중성자 빔에 시료를 노출시킴으로써, 분자들의 에너지 준위는 정확하게 측정될 수 있다. 중성자 이용은 그들의 기본적인 자기 스핀 특성 때문에 이런 종류의 실험에는 매우 이상적이다. 중성자는 전하가 없기 때문에 물질 깊숙이 침투할 수 있고, 따라서 포톤 보다 더 광범위한 전이 영역을 제공하여 줄 수 있다.
중성자 산란 실험은 ortho- 수소와 para- 수소의 혼합으로 수행되었으며 para-H2 기저 상태에서 나온 금지된 천이의 개수가 결과적인 스펙트럼에서 체계적으로 존재하지 않는다는 것이 발견되었다. 이것은 분자 선택 법칙의 존재를 확인하는 것이었으며, 이와 같은 분자 화합물에서는 어떤 선택 법칙도 존재하지 않는다고 널리 알려진 기존의 관점과는 배치되는 것이다.
연구진은 그들의 국제 공동 연구를 통해서 전세계적으로 희귀하고 독특한 시료를 연구하여 매우 의미있는 결과를 도출하였다고 말하였다. 일본이 처음으로 어떻게 C60을 열 수 있는지를 발견하였으며, 미국 뉴욕의 연구진과 공동으로 이런 양자 시스템의 이해를 향상시켰다. 미세한 양의 시료는 전세계에서 가장 높은 프랑스 랑게빈 라우에 연구소의 중성자 플럭스로 연구된 것이다. 이런 실험은 몇 년 전에는 불가능하였던 실험이었다.
연구진은 그들의 실험이 수소를 고립시킬 수 있는 방법을 제공하여 준다고 말하였다. 대칭은 이론적 계산을 더 쉽게 만들어준다고 연구진은 덧붙였다. 그와 같이 잘 정의된 시스템은 지금까지는 존재하지 않았으며 양자 이론을 테스트할 수 있는 뛰어난 테스트 환경을 제공하여 준다고 연구진은 말하였다.
비슷한 실험이 ortho- 및 para- 물로 알려진 H2O의 형태로 수행되었으며 이전에 발견되지 않았던 ortho-H2O 기저 상태의 분리를 밝혀내어 C60 케이지에서 분자가 고립되었을 때 발생하는 대칭 붕괴 상호작용을 밝혀내었다. 분자 제한 또는 더 긴 영역의 상호작용이 관측된 대칭 붕괴의 원인이 되는지에 대해서는 더 많은 연구가 필요할 것이다.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 10월 16일]
[원문보기]
Rare 'baby rattle' molecules reveal new quantum properties of H2O and H2
The use of fullerenes such as C60 to trap smaller molecules, using cutting-edge molecular surgery techniques, was pioneered over the last decade. A complex series of chemical reactions is needed to open an orifice in the C60 cage which allows the smaller molecule to be inserted at high pressures to form a sealed structure that resembles a baby's rattle. The resulting complex provides a 'nanolaboratory' environment ideal for examining the trapped molecule via spectroscopic techniques.
By exposing the samples to a continuous beam of neutrons, the energy levels of the molecular complex can be accurately determined. The use of neutrons is ideal for experiments of this kind owing to their fundamental magnetic spin, which allows them to drive a wider range of transitions than would be possible with photons.
The neutron scattering experiments conducted with a mixture of ortho and para hydrogen showed that a number of forbidden transitions from the para-H2 ground state were systematically absent from the resultant spectra. This confirmed the existence of a molecular selection rule, a discovery which runs counter to the widely held view that such molecular compounds are not subject to any selection rules.
Prof Mark Johnson, who contributed to the experimental work undertaken at ILL, said "This is a fantastic example of an international collaboration to study a unique sample of which only tens of milligrams exist worldwide. The Japanese first learned how to open up C60, and the collaboration with researchers in New York gave an improved understanding of these quantum systems. Tiny quantities of the sample were exposed to the world's highest neutron flux at the ILL in experiments that would not have been possible some years ago."
He added "The experiments provide a way of isolating hydrogen in what is effectively a spherical environment, whose symmetry makes the theoretical calculations a great deal easier. Such well-defined systems, which have not existed to date, provide an excellent test bed for quantum theory."
Similar experiments conducted with forms of H2O known as ortho- and para- water also revealed a previously undiscovered splitting of the ortho-H2O ground state, pointing to a symmetry-breaking interaction which arises when the molecules are isolated in the C60 cages. Whether the molecular confinement or a set of longer range interactions is responsible for the observed symmetry breaking is a topic of considerable interest and one worthy of further research.
|
즐겨찾기 추가 
시작페이지로 설정
