[독일] 물, 액체 상태 구조 논쟁 전환점에 서다
 
 
독일 요하네스 구텐베르그대학(Johannes Gutenberg Univ. Mainz; JGU) 토마스 쿠흐너(Thomas Kuhne) 교수 연구진이 ‘액체 상태’에서 물분자가 나타내는 네트워크 구조에 대한 상반된 기존 이론들을 포괄적으로 설명할 수 있는 연구 결과를 발표했다.

 

이 연구는 컴퓨터 시뮬레이션을 이용한 이론적 연구(computational study)를 통해 서로 상반된 이론의 합의점을 제시함으로써 물의 액체 상태 구조에 대한 논쟁은 새로운 국면을 맞이할 것으로 보인다.

 

물 분자는 수소원자 두 개와 산소원자 한 개로 이루어져 있다. 우리가 마시는 물(액체 상태)이나 얼음(고체상태)은 수많은 물 분자가 모인 것이다. 물은 현대과학의 수준이라면 모든 것이 다 밝혀졌을 법한 단순한 화학적 구조를 가지고 있다. 하지만 물 특유의 독특한 성질 때문에 과학자들의 탐구는 아직도 계속되고 있다.

 

물은 인간에게 가장 친숙하고 지구상에 가장 흔하게 존재하는 물질이지만, 현존하는 지구와 생명체를 있게 한 ‘근원’ 이라 해도 과언이 아니다. 때문에 물에 대한 연구는 기후와 생명현상에 이르는 모든 자연현상을 이해하는데 있어 가장 기초가 된다 할 것이다.

 

물 분자 한 개를 놓고 보면 전자를 잘 끌어당기는 산소 원자의 특성 때문에 전자는 수소원자 보다는 산소 원자 주위에 쏠려 있다. 때문에 수소 원자는 부분적으로 양 전하를 띠고, 산소원자는 부분적으로 음 전하를 띤다(dipolar structure). 물 분자는 이러한 성질 때문에 주변에 위치한 물분자의 산소원자와의 사이에 수소 원자를 사이에 두고 ‘수소결합(hydrogen bond)’이라는 독특한 결합을 형성한다.

 

액체 상태에서 물분자는 주변에 위치한 물 분자 네 개와 수소결합을 형성한다. 고체 상태인 얼음에서 물 분자는 주변의 물 분자 네 개와 수소결합 네트워크 구조를 형성한다. 액체 상태에서 이 네트워크 구조는 어느 정도 느슨해지기는 하겠지만 고체 상태일 때와 유사한 네트워크 구조를 나타낼 것이라고 대다수 과학자들은 생각했다.

 

이것이 액체 상태 물의 구조에 대한 고전적 이론인 정사면체 모델(tetrahedral model)이다. 이미 백여 년 전에 제기되어 과학계를 지배해온 이 이론은 2004년 스탠포드대학의 앤더스 닐슨(Anders Nilsson) 교수 연구진이 새로운 연구 결과를 내놓으면서 도전에 직면했고 ‘액체 상태’ 물 분자의 수소결합 네트워크 구조는 과학자들 사이에 뜨거운 화두로 떠올랐다.

 

닐슨 교수 연구진은 엑스선흡수분광학기법(x-ray absorption spectroscopy; XAS)과 엑스선 라만산란 분광학기법(x-ray Raman scattering)으로 액체 상태 물 분자의 수소결합 네트워크 상에서 물 분자의 배열을 조사한 결과 정사면체 모델의 설명과는 다른 결론을 얻었다고 주장했다.

 

중앙에 위치한 물분자를 중심으로 주변에 물분자 네 개가 수소결합을 통해 정사면체 구조를 형성한다고 설명하는 정사면체 모델의 결론과는 달리 실험 결과는 물 분자와 수소결합을 형성하는 주변 물 분자는 두 개만 관찰되었으며, 이들은 수소결합을 통해 직선형 또는 고리형 구조를 형성한다고 닐슨 교수는 주장했다.

 

이는 기존 학설을 정면으로 부정하는 주장이었기 때문에 논쟁은 뜨겁게 달아올랐고, 일부 과학자들은 닐슨 연구진이 부적절한 가정을 세웠기 때문에 실험데이터에서 엉뚱한 결론을 도출했다는 주장을 제기하기도 했다.

 

코흐너 연구진도 처음부터 이러한 논의에 해결책을 제시할 목적으로 연구를 시작한 것은 아니었다. 자신들이 개발한 ALMO EDA라는 이론적 계산 기법을 이용해 액체 표면 물 분자의 전자구조 변화양식를 알아보기 위함이었다. ALMO EDA는 분자 간 상호작용 에너지를 결합과 관련된 물리학적 의미의 구성요소로 전환시키는 이론적 계산기법이다.

 

쿠흐너 연구진은 이를 통해 물 분자는 액체 상태에서 네 개의 수소결합 네트워크를 형성하지만, 정사면체 모델처럼 동일한 세기의 수소결합을 형성하는 것이 아니라 두 개는 결합의 세기가 강하고 나머지 두 개는 상대적으로 약한 비대칭(asymmetric) 결합 구조를 형성한다는 사실을 발견했다.

 

이는 몇몇 과학자들에 의해 제기된 두 가지 다른 형태의 수소결합을 형성한다는 주장과는 다른 것으로 결합의 세기는 다르지만 동일한 형태의 수소결합이 나타난다는 뜻이다.

 

결과적으로 물 분자는 강력한 비대칭 환경에 놓여 있다는 뜻이 된다. 하지만 이러한 비대칭성은 고정된 것이 아니라 매우 빠르게 변화(rapidly fluctuating)하기 때문에 수 백 펨토 초(femtosconds) 수준의 시간척도에선 중간 구조인 정사면체 구조(quadruple bonding)가 관찰되고, XAS처럼 펨토 초 이하의 시간척도에선 닐슨 연구진처럼 순간적으로 두 개의 수소결합 네트워크(double binding)를 형성하고 있는 것을 관찰하게 된다는 것이 쿠흐너 연구진의 설명이다.

 

본 연구 결과가 액체 상태 물의 수소결합 네트워크 구조에 대한 상반된 주장의 합의점을 제시했고 단백질의 2차구조 형성과정(folding)처럼 생물학적 또는 화학적 분자 시스템의 수용액상 거동을 이해하는데 있어 중요한 단서를 제공할 것은 분명하나 논쟁을 종식시킬 순 없을 것으로 보인다.

 

왜냐하면 이 주장에 대해서도 찬반양론과 다양한 견해가 피력되고 있기 때문이다. 하지만 본 연구는 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications) 최신호에 게재되었다.

 

 

 

 

Researchers at Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) have confirmed the original model of the molecular structure of water and have thus made it possible to resolve a long-standing scientific controversy about the structure of liquid water.

 

The tetrahedral model was first postulated nearly 100 years ago and it assumes that every water molecule forms a so-called hydrogen bond with four adjacent molecules. This concept was almost toppled in 2004 when an international research group announced that it had experimentally established that water molecules form bonds only with two other molecules.

 

"The quality of the results was excellent but they merely represent a snapshot of the situation," explained Professor Dr. Thomas Kuhne. He has demonstrated the fallacy of the 'double bonding' theory using computer simulations based on new types of combinations of two computational methods recently developed by his group.

Some very special and unique features of water, such as its liquid aggregate state and high boiling point, are attributable to the effect of the hydrogen bonds between the water molecules.

 

The H bonds are formed due to the different charges carried by the oxygen and hydrogen atoms that make up water molecules and the resultant dipolar structure. The traditional, generally accepted view was that water had a tetrahedral structure at room temperature, so that on average each water molecule would be linked with four adjacent molecules via two donor and two acceptor bonds.

 

 "In our theoretical approach, the median result we observed over time was always for quadruple bonding," said Kuhne. Thanks to the new simulations, he and his colleague Dr. Rhustam Khaliullin have now been able to confirm the old model and also supply an explanation for why double bonding was observed in 2004. According to Kuhne, the result was not indicative of double bonding "but of instantaneous asymmetrical fluctuation" only.

 

There is thus significant asymmetry in the four H bonds of the tetrahedral model because of the different energy of the contacts. This asymmetry is the result of temporary disruptions to the hydrogen bond network, which take the form of extremely short term fluctuations occurring on a timescale of 100 to 200 femtoseconds. These fluctuations mean that one of the two donor or acceptor bonds is temporarily much stronger than the other. But these fluctuations precisely cancel each other out so that, on average over time, the tetrahedral structure is retained.

 

The results reported in 2004 using x-ray absorption spectroscopy were obtained using water molecules with high levels of momentary asymmetry, which is why essentially only two strong hydrogen bonds were observed in an otherwise tetrahedral structure.

 

 "Our findings have important implications as they help reconcile the symmetric and asymmetric views on the structure of water," write the scientists in an article published in Nature Communications. The results may also be relevant to research into molecular and biological systems in aqueous solutions and provide insight into protein folding, for example.

 

The work of Thomas Kuhne's group was undertaken within an interdisciplinary joint project and was funded by the Research Unit Center for Computational Sciences at Johannes Gutenberg University Mainz.

 
[자료출처 : http://www.uni-mainz.de/presse/16217_ENG_HTML.php(2013. 02. 12)]