소금의 용해 현상을 원자 수준으로 관찰하고, 이온이 용해되는 원리를 밝힐 수 있는 기술이 개발됐다.
UNIST(총장 이용훈) 신소재공학과 신형준 교수팀은 하나의 물 분자를 제어해 소금에서 특정 이온을 추출할 수 있는 ‘단일 이온 제어기술’을 개발했다. 이온의 특성을 활용해 선택적으로 용해를 유도하는 것이다.
그림1. 소금이 물에 녹는 이미지와 원자 세계에서 일어나는 단일 이온 용해
이온은 세포의 신호 전달이나 배터리, 반도체 등 다양한 응용 연구 분야에서 핵심적인 역할을 하는 입자다. 하지만 지금까지 간단한 소금의 용해 현상을 포함해 이온의 특성을 단일 이온 수준으로 연구하는 것은 실험적으로 불가능했다.
우리가 주변에서 가장 흔하게 볼 수 있는 소금(NaCl)은 나트륨 양이온(Na+)과 염소 음이온(Cl-) 사이의 강한 이온 결합으로 이뤄진다. 물과 닿게 되면 극성분자인 물 분자에 의해 이온 결합이 끊어지게 되어 소금물이 된다.
신형준 교수는 “물에 녹은 이온은 수화(hydration)된 상태로 존재하기 때문에, 용액 속의 수많은 물 분자와 함께 끊임없이 움직여 이온을 개별적으로 제어하거나 그 특성을 연구하기 어려웠다”고 설명했다.
연구팀은 -268.8℃의 극저온과 초고진공 상태의 환경에서 원자 2~3층 두께의 얇은 소금 막(film) 위에 개별 물 분자를 증착했다. 원자 수준 이하의 해상도를 갖는 주사터널링현미경(STM)으로 소금 표면에 놓인 물의 움직임과 단일 이온 추출에 관한 연구를 성공적으로 수행했다.
그림2. 물 분자 제어에 의한 선택적 음이온 추출 과정 모식도
연구팀은 주사터널링현미경의 미세 탐침을 정밀하게 제어해 소금 표면에 흡착한 물 단분자를 원하는 특정 방향으로 이동시켰다. 이동시키며 발생한 약 10피코미터(10조 분의 1미터) 수준의 탐침 높이 변화를 분석해 염소 음이온과 물 분자가 강한 상호작용을 하고 있음을 밝혔다.
연구팀은 하나의 물 분자를 원자 한층 두께의 소금계면 계단층을 따라 이동시켰다. 이동한 경로에서 한 개의 이온이 사라지는 것을 관측했다. 이는 물 분자의 쌍극자 모멘트에 의해 소금의 이온 결합이 끊어져 단일 이온이 추출된 것이다.
그림3. NaCl 표면에 흡착한 물 분자
물 분자를 제어해 단일 이온을 추출할 때 항상 염소 음이온(Cl-)이 나트륨 양이온(Na+)보다 우선적으로 용해되는 현상 또한 발견했다. 이것은 나트륨 양이온과 염소 음이온의 분극률(polarizability) 차이 때문이다.
높은 분극률을 가진 음이온이 양이온보다 물 분자의 영향을 크게 받는다. 특히 주변에 결합하고 있는 이온이나 원자가 부족한 계단층 표면에서 더 두드러지게 나타났다.
제 1 저자인 한희준 석·박통합 연구원은 “지금까지 물에 의해 소금이 녹는 현상은 이론적으로만 이해할 수 있었는데, 이번 연구로 정밀한 물 분자를 제어해 단일 이온 추출에 성공했다”며 “그동안 알지 못했던 분극률이 선택적 용해 현상에 미치는 영향을 규명할 수 있었다”고 설명했다.
신형준 교수는 “이온은 우리 주변에 아주 흔하게 존재하지만, 배터리나 반도체 재료의 성능을 획기적으로 변화시킬 수 있는 흥미로운 입자다”며 “개발한 단일 이온 제어기술을 통해 앞으로 이온과 관련된 다양한 기초 기술 및 응용에 연구를 더욱 확장해 나아갈 계획”이라고 밝혔다.
이 연구는 중국과학원 선전기술연구원(Shenzhen institute of advanced technology, Chinese Academy of Science)의 Feng Ding 교수가 공동 연구에 참여했으며, 세계적 학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)에 3월 16일 온라인 게재됐다. 연구 수행은 중견연구자지원사업과 기초과학연구원의 지원으로 이뤄졌다.
