[영국] 빠르고 제어 가능한 그래핀 위의 물 분자 수송에 대한 새로운 연구결과
유니버시티 칼리지 런던(University College London)의 연구진은 특정 재료의 표면으로 분자들을 더 빠르게 이동시킬 수 있는 새로운 방법을 개발했다.
표면을 통한 확산은 일반적으로 진동 운동을 포함한다. 이번 연구진은 분자 동역학을 사용해서 그래핀과 같은 적층형 재료가 표면 확산을 어떻게 하는지에 대한 새로운 연구결과를 제안했다. 흡착 물질은 서핑과 유사한 운동으로 그래핀의 물결을 통해서 전달된다. 이번 연구진은 액체 속의 물 분자가 자가 확산을 할 때보다 2~3배 더 빠른 확산을 할 수 있다는 것을 증명했다.
이번 연구진은 매우 작은 물방울이 그래핀 표면과 어떻게 상호작용하는지를 알기 위해서 복잡한 컴퓨터 시뮬레이션을 사용했다. 이 시뮬레이션은 분자들이 표면을 “서핑(surfing)”할 수 있다는 것을 보여주었다. 물 분자들은 그래핀의 잔물결을 통해서 이동하게 된다. 이 연구는 저널 Nature Materials에 게재되었고, 분자들이 그래핀의 강한 물결 운동을 따라서 움직이기 때문에 그들이 이전에 관찰된 것보다 적어도 10배 이상으로 매우 빠르게 움직일 수 있다는 것을 증명했다.
이번 연구진은 물결 모양과 표면 위의 분자 유형을 변화시킴으로써 물 이외의 분자들이 빠르고 제어된 운동을 할 수 있다는 것을 발견했다. 이것은 향상된 센서와 필터와 같은 다양한 분야에 새로운 길을 열어줄 수 있을 것이다.
이 연구를 이끌었던 유니버시티 칼리지 런던의 Angelos Michaelides 교수는 “원자와 분자는 그들 표면 위의 한 지점에서 다음 지점으로 호핑(hopping)함으로써 재료를 통과해서 이동한다. 그러나 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해서, 우리는 그래핀의 운동에 대한 흥미로운 새로운 확산 메커니즘을 발견했다. 이 확산 운동은 표면 위에서 관찰되는 무작위 운동과는 본질적으로 달랐다”고 말했다.
재료 표면의 원자 및 분자의 운동은 촉매 표면을 통한 분자 확산, 결정 성장 또는 여과 등과 같은 분야에 특히 중요하다. 가장 관심 있는 분야는 그래핀 위의 물 분자에 대한 연구이다. 지속적인 연구로 그래핀과 상호작용하는 물이 그래핀의 독특한 전기적 및 기계적 특성과 같이 예상외의 특성들을 가진다는 것을 알게 되었다.
과학자들이 표면 확산에 대한 원자크기 정보를 조사하기 위해서 실험적인 기법을 도입했지만, 기존의 3차원 재료들의 표면을 일반적으로 조사했고, 확산이 표면 위의 간단한 무작위 워킹(walking)을 의미한다는 결론을 내렸다.
이 연구의 제 1 저자인 Ming Ma 박사는 “우리의 연구는 필터와 센서에 적용되는 그래핀의 유망한 성능을 검증할 수 있는 광범위한 시뮬레이션의 일종”이라고 말했다. 이 연구결과는 저널 Nature Materials에 “Fast diffusion of water nanodroplets on graphene”이라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/nmat4449).
그림. 물결 모양의 그래핀 표면 위의 나노 물방물의 “서핑”을 보여주는 이미지.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 10월 23일]
[원문보기]
Surfing water molecules on graphene could hold the key to fast and controllable water transport
Scientists at University College London (UCL) have identified a new and potentially faster way of moving molecules across the surfaces of certain materials.
The team carried out sophisticated computer simulations of tiny droplets of water as they interact with graphene surfaces. These simulations reveal that the molecules can "surf" across the surface whilst being carried by the moving ripples of graphene.
The study, published in Nature Materials ("Fast diffusion of water nanodroplets on graphene"), demonstrates that because the molecules were swept along by the movement of strong ripples in the carbon fabric of graphene, they were able to move at an exceedingly fast rate, at least ten times faster than previously observed.
Furthermore, the researchers found that by altering the size of the ripples, and the type of molecules on the surface, they could achieve fast and controlled motion of molecules other than water.. This opens up a range of possibilities for industrial applications such as improved sensors and filters.
Professor Angelos Michaelides, from the Thomas Young Centre and London Centre for Nanotechnology (LCN) at UCL, lead researcher of the study, explained: "Atoms and molecules usually move across materials by hopping from one point on their surface to the next. However, through computer simulations we have uncovered an interesting new diffusion mechanism for motion across graphene that is inherently different from the usual random movements we see on other surfaces."
The motion of atoms and molecules across the surface of materials is of critical importance to a long list of applications, such as the diffusion of molecules across the surface of catalysts, crystal growth or filtration. Of particular technological relevance, and attracting the most attention at present, is the study of water on graphene. Ongoing research suggests that water interacting with graphene has properties as exceptional and potentially transformative as graphene's electronic and mechanical properties.
Although scientists have used a whole array of experimental techniques in the past to investigate the atomic scale details of surface diffusion, they have generally studied the surfaces of traditional three-dimensional materials and have supported the notion that diffusion involves a simple random walk on the surface.
Dr. Ming Ma, the first author of the paper added: "Our work is the culmination of an extensive and meticulously validated set of simulations which has uncovered an unexpected result that may well be at the root of the promised performance of graphene in filters and sensors."
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