Press release

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간단하지만 어려운, 소금이 녹는 원리 밝혔다

UNIST 신형준 교수팀, 단일 이온 제어기술 개발
이온 결합의 특성과 용해 원리 확인해… Nature Communications 게재

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.

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.

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.

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.

(논문명: Controlled dissolution of a single ion from a salt interface)
자료문의

대외협력팀: 서진혁 팀장, 우종민 담당 (052)217-1232

신소재공학과: 신형준 교수 (052)217-2329
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  • [연구그림1] 소금이 물에 녹는 이미지와 원자 세계에서 일어나는 단일 이온 용해
  • [연구그림2] 물 분자 제어에 의한 선택적 음이온 추출 과정 모식도
  • [연구그림3] NaCl 표면에 흡착한 물 분자
  • [연구그림4] STM 탐침을 사용한 물 단분자의 수평 제어
  • [연구그림5] NaCl 계단에서 단일 Cl—이온의 선택적인 수화
 

[붙임] 연구결과 개요
1. 연구배경

다원자 이온의 수화와 이온이 관여하는 반응을 이해하기 위해서, 단원자 이온과 물 분자 간의 기본적인 상호작용을 연구하는 것이 필수적이다. 일반적으로 수용액에서 여러 이온의 평균화된 특성이 측정되어, 개별 이온의 특성을 정하기 어렵다. 가장 간단한 반응인 소금의 용해는 극성을 가진 물 분자가 이온 결정과 정전기적 인력을 통해 이온 결합을 해리하는 반응이다. 이 반응은 자발적으로 일어난다고 생각할 수 있지만, 흡열 반응이고 높은 엔트로피가 요구된다. 이미 단일 결합 수준으로 제어된 공유 결합과 금속 결합과 달리, 이온 결합에서 쿨롱 상호작용이 단일 이온의 분석을 어렵게 한다. 어떤 이온이 먼저 용해되고 왜 약한 물—이온 상호작용이 안정한 이온 결합을 약하게 하는지와 같은 미시적인 관점의 질문에 답하기 어렵다. 용해는 여러 이론적인 연구를 통해 진행됐지만, 여전히 가장 간단한 반응에 관한 메커니즘은 명확하게 밝혀지지 않았다.
2. 연구내용

본 연구팀은 물 단분자를 제어하여 소금에서 Cl— 음이온의 선택적인 용해를 단일 이온 수준으로 관측했다. 이와 같은 결과는 소금 표면에서 물 분자와 Na+이온과 Cl—이온의 상호작용 차이에 기인한다. 단분자 실험은 수 원자층의 소금 표면에 물 분자를 흡착시킨 시스템에서 주사터널링현미경(STM)을 활용해 진행되었다. 정교한 단분자 제어기술을 통해 배위수가 낮은 위치의 Cl— 음이온을 단 하나의 물 분자로 용해하는 데 성공하였고, 이때 변화하는 전자 분극의 변화를 밀도범함수이론(DFT)으로 확인하였다.

연구팀은 STM의 탐침을 1/100 나노미터의 정밀도로 매우 미세하게 제어하여 흡착한 물 분자를 수평이동 시켰다. 소금 표면의 방향에 따른 단분자 제어를 통해 이온의 극성에 따라 이온과 물의 상호작용이 다르다는 것을 확인했다. 물의 산소 원자와 Na+ 양이온이 쿨롱 상호작용하는 반면, 물의 쌍극자 모멘트가 Cl— 음이온을 전기적으로 분극시키는 것을 밝혔다.

이와 같은 단분자 제어를 배위수가 낮은 소금의 계단 층에서 진행하면, Cl— 음이온의 선택적인 용해가 일어나며, 이는 이온 결합의 특성에 기인한다. 소금에서 Cl— 음이온의 분극률이 Na+ 양이온보다 20배 높아, 음이온의 전자구름이 양이온으로 분극된다. 물질의 내부에서는 주변의 이온이 분극을 상쇄시키지만, 계단층과 같이 배위수가 낮은 위치에서 분극이 남아있다. 단분자 제어로 물 분자가 스텝의 음이온을 분극시키면, 이온 결합에 관여하는 음이온의 전자가 주변의 양이온과 약하게 상호작용한다. 즉, 물의 쌍극자와 유도된 음이온의 쌍극자가 선택적인 용해를 일으킨다.
3. 기대효과

소금의 용해는 거시적으로 흔히 알고 있는 간단한 현상이지만, 본 연구팀이 보인 단일 이온 수준의 소금 용해는 이온 결합에 관련해 중요한 통찰을 제공한다. 분극에 의한 상호작용은 쿨롱 상호작용보다 매우 작게 이온 결합에 작용하지만, 반응에서 가장 중요한 역할을 한다. 물 분자의 높은 쌍극자 모멘트 또한 이와 같은 결과에 영향을 주었다. 본 연구 결과가 전기화학, 촉매, 배터리, 생물학 등 분야에서 이온의 역할을 탐색하는 데 기여할 것으로 기대한다.
 

[붙임] 용어설명
1. 주사터널링현미경 (STM)

Scanning Tunneling Microscope. 전자의 터널링 효과를 이용하여 원자 수준 이하의 해상도를 갖고 있으며, 시료 표면의 형상이 포함된 전자 구조, 단원자/단분자의 물성 측정 및 제어를 할 수 있는 초고해상도 현미경을 말한다.
2. 이온 (Ion)

원자 또는 분자의 특정한 상태를 나타내는 용어로, 전자를 잃거나 얻어 전하를 띠는 원자 또는 분자를 이른다.
3. 이온 결합 (Ionic bond)

양이온과 음이온이 정전기적 인력으로 결합하여 생기는 원자간 화학 결합의 한 종류이다.
4. 분극률 (Polarizability)

단위 외부 전기장에 의해 주어진 입자에 발생하는 전기 쌍극자 모멘트이다. 즉, 입자의 전자 구름이 외부의 전기장에 의해서 보통 모양과 달라지는 상대적인 경향성이다.
5. 밀도범함수이론 (DFT)

Density Functional Theory. 제일 원리 전사모사 방법으로 복잡한 물리/화학적 현상 및 소재 구조와 상호작용, 화학결합 등을 비교적 정확하게 묘사할 수 있는 양자역학 기반의 방법이다.
 

[붙임] 그림설명

그림1. 소금이 물에 녹는 이미지와 원자 세계에서 일어나는 단일 이온 용해

그림2. 물 분자 제어에 의한 선택적 음이온 추출 과정 모식도

그림3. NaCl 표면에 흡착한 물 분자

a, 2, 3층 NaCl(100)위의 물 분자의 STM 이미지. Scale bar: 6 nm. b, 테라스에 위치한 물 단분자의 원자수준 STM 이미지. Scale bar: 1 nm. c,d, NaCl 테라스 위의 물 분자의 흡착 구조. e, 계단층에 흡착한 물 단분자의 원자수준 이미지. Scale bar: 1 nm. f,g, NaCl 계단에 위치한 물 분자의 흡착 구조.

그림4. STM 탐침을 사용한 물 단분자의 수평 제어

a—d, NaCl의 비극성 방향 [001]과 극성 방향 [011]을 따라 물 단분자를 제어하는 STM 이미지. e, 분자 제어에 따른 탐침 높이의 변화 (점)와 표면 거칠기 (실선). 회색 영역은 표면의 Na+이온의 위치를 나타냄. f, NaCl 표면의 원자수준 이미지. Scale bars: 1 nm.

그림5. NaCl 계단에서 단일 Cl—이온의 선택적인 수화

a,b, 계단 위의 물 단분자 수평 이동의 전후를 보여주는 STM 이미지. c, b의 원자수준 STM 이미지. 단분자 제어가 계단층의 Cl— 공공을 형성함. Scale bars: 1 nm. e—h, 스텝의 (e,f) Na+이온과 (g,h) Cl—이온에 흡착한 물 분자의 전하밀도차이와 해당 위치에서의 단면. e와 g에서 노란 영역과 청록 영역은 각각 전자와 정공이 밀집된 위치를 보여줌. f와 h에서 파란 영역과 빨간 영역은 각각 전자와 정공이 밀집된 위치를 보여줌.
 
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