극저온에서 뭉치는 물 분자 움직임 최초 규명 냉동·에너지 분야 활용 기대
안동준 교수 (교신저자), 김명기 교수 (교신저자), 박누리
박사 (공동 제1저자), 이예담
박사과정 (공동 제1저자),
이상엽 박사 (공동 제1저자) 국내 연구팀이 영하
20~90℃ 사이 극저온 상태에서 물 분자가 뭉쳐 밀도가 커지는 특이 상전이 현상을
실험으로 처음 확인했다. 연구결과는 냉동, 동결 보존 기술뿐
아니라 에너지 산업 등에서 효율성을 향상하고 새로운 기술을 개발하는 데 응용될 것으로 기대된다. (그림 설명) 물은 명체에 필수적인 물질로 다양한 환경에 따라
독특한 성질을 나타내 과학자들의 꾸준한 연구 대상이다. 게티이미지뱅크 제공 고려대는 안동준 화공생명공학과 교수와
김명기 KU-KIST 융합대학원 교수 공동연구팀이 극저온 상태에서 나노미터(nm, 10억분의 1m) 수준의 물 분자(H2O) 분자 움직임을 실시간으로 관찰하는 데 성공했다고 29일 밝혔다. 연구결과는 24일 국제학술지 'Small
Science' (IF 11.1)에 공개됐다. 극저온에서 물 분자의 움직임은 동결
방지 기술과 극저온 물리학 등에서 중요한 연구 주제다. 선행 연구에서 물 분자가 극저온 일부 구간에서
결정 구조를 형성하며 밀도가 커지는 특이한 상전이가 밝혀진 바 있지만 실험으로 확인된 적은
없었다. 상전이는 같은 물질에서 원자 배열 등이 바뀌며 물리적 성질이 급격하게 변화하는 현상이다.
(그림 설명) 플라즈모닉 검출 시스템을 사용해 저온에서 물 분자의
나노 수준 움직임을 실시간으로 관찰하는 모식도. 물 분자들이
180~250K 온도 사이에서 응집해 고밀도 클러스터를 형성하는 것이 확인됐다. 고려대
제공
연구팀은 먼저 영하 196℃에 달하는 77K(캘빈, 절대온도 단위로 0K은 -273.15℃)에서 급속 냉각된 얇은 얼음층을 만들었다. 이후 비파괴
형식으로 분자 움직임을 확인하는 나노칩 기반 플라즈모닉 센서를 활용해 온도가 올라가며 일어나는 물 분자들의 밀도 변화를 관찰했다.실험 결과 물 분자들이 영하 20~90℃ 범위에서
응집해 고밀도 클러스터를 형성하는 것이 처음으로 관찰됐다. 나아가 해당 범위에서 일어난 물 분자의 상변이
메커니즘과 얼음 결정 구조 간의 상호작용을 규명할 수 있었다. 연구팀은 "극저온 환경에서 물 분자의
변동을 이해하면 냉동, 동결 보존 기술 외에도 에너지 산업 등 다양한 분야에서 응용될 가능성이 있다"고 설명했다.연구진은 "플라즈모닉 나노칩 센서를
활용한 실시간 관찰 기술로 물 분자 고밀도 클러스터 형성 과정을 명확히 포착할 수 있었다"며 "연구결과가 동결 기술 및 물 에너지 효율성 증대에 큰 도움이 될 것"이라고
밝혔다. 이번 연구는 한국연구재단 미래소재디스커버리사업, 중견연구자지원사업과 KU-KIST School 운영사업 지원을 받아 수행되었다.
<참고 자료> doi.org/10.1002/smsc.202400427 <기사출처> https://m.dongascience.com/news.php?idx=68177 |
