^*1Torr(토르)=1/760 atm(대기압)

[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

분자 간 협동성은 약하게 연결된 분자들에서 하나의 결합이 추가적인 결합을 도와주는 현상이다. 수소 결합은 공유 결합이나 이온 결합보다 약하지만, 여러 분자가 모이면 수소 결합의 세기가 강해진다. 분자의 수가 많아질수록 협동성도 증가하며, 이는 수소 결합의 세기에 중요한 요소이다. 가장 가벼운 원소인 수소는 수소 결합을 통해 이웃한 분자 사이를 이동할 수 있다. 이러한 현상은 양자역학 현상 중 하나인 터널링에 의해 일어난다. 양성자 터널링은 분자 간 협동성(수소 결합의 세기)과 환경에 민감하기 때문에, 이를 측정하면 원자 수준에서 협동성을 분석할 수 있다. 하지만 수소 결합으로 이루어진 클러스터는 강한 협동성에 의해 안정한 구조를 가지므로, 협동성이 양성자 터널링에 미치는 영향을 규명하기 어렵다.

2.연구내용

연구팀은 물 나노 클러스터(물 분자 삼각형)에서 수소 결합의 협동성을 조절하여 양성자 터널링을 유도했다. 실험은 소금 표면에 물 분자를 흡착시킨 시스템에서 주사터널링현미경(STM)을 활용해 진행되었고, 추가적인 밀도범함수이론(DFT)를 통해 양성자 터널링을 분석했다. 물 나노 클러스터에서 양성자 터널링이 물 분자의 진동에 의해 활성화되는 것을 측정했다.

연구팀은 소금 표면 위에 놓인 3개의 물 분자를 STM의 탐침으로 제어하여 물 나노 클러스터를 형성했다. 이 나노 클러스터는 물과 이온의 상호작용으로 비대칭적인 구조를 가지며, 협동성이 매우 낮으며, 고리 형태로 구성되어 카이랄성(왼쪽으로 찌그러진 형태와 오른쪽으로 찌그러진 형태)을 보였다. STM의 탐침으로 물 클러스터를 제어하면 특정 에너지에서 이성질체로 변화하는 것을 관측했다. 이러한 반응이 양성자 터널링으로 인해 일어나는 것을 증명했다.

에너지에 따라 물 클러스터가 변하는 속도를 측정하여, 양성자 터널링이 물 분자의 회전 운동에 대응되는 에너지에서 활성화되는 것을 발견했다. 기존에 비대칭적인 구조가 물 분자의 회전 운동으로 정삼각형에 가까워지며, 물 클러스터의 협동성이 증가한다. 따라서 수소 결합의 길이가 짧아지며, 양성자 터널링이 활발히 일어나는 것이다.

3.기대효과

연구팀은 간단한 물질로 구성된 시스템에서 거울상이성질체를 가지는 물 나노 클러스터를 성공적으로 제어하여, 협동성이 높은 일반적인 클러스터에서 알 수 없는 협동성과 양성자 터널링 간의 상관관계를 규명했다. 이는 컴퓨터에 사용되는 비트와 같은 상태(0,1을 각각 왼쪽으로 찌그러진 물분자 삼각형, 오른쪽으로 찌그러진 물분자 삼각형으로 구현)를 실험적으로 구현한 것이며, 양성자 전달을 제어하는 것은 다양한 물리·화학·생물 분야에 걸쳐 중요한 결과이다.

[붙임] 용어설명

1.주사터널링현미경 (Scanning Tunneling Microscopy; STM)

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.양성자 터널링 (Proton tunneling)

가장 가벼운 원소인 수소의 구성 입자인 양성자가 터널링 효과에 의해 이동하는 양자역학 현상이다.

3.밀도범함수이론 (Density Functional Theory; DFT)

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

[붙임] 그림설명

그림 1. 양성자 터널링 현상을 물 분자 삼각형의 모양 변화를 통해 관찰함 (왼쪽) 양성자 터널링으로 변화한 물 분자 삼각형의 STM 이미지 및 DFT 계산으로 재현한 물 분자 삼각형의 흡착 구조. (오른쪽) 물 분자의 회전으로 짧아진 수소 결합을 통해 활성화된 양성자 터널링 현상을 보여주는 모식도.

그림 2. 소금 박막 위(NaCl)에 올려진 물 분자 삼각형 (H2O)3의 주사터널링현미경(STM) 이미지 및 분석 결과 a, 2층 NaCl(100)위의 (H2O)3의 STM이미지. b,c, NaCl 위의 (H2O)3의 흡착 구조. d,e, (H2O)3 제어로 변화한 구조를 보여주는 STM 이미지. f, (H2O)3에 90 mV의 전압을 인가하였을 때 관측한 전류 변화. 전류가 수직 방향으로 급격하게 변하는 양상은 양성자 터널링이 일어난 것을 의미한다. g, d와 e의 차이를 보여주는 STM 이미지. Scale bars: 1 nm.

그림 3. 다양한 조건에서 측정한 물 분자 삼각형의 반응 속도. a,b, (H2O)3의 전압 및 온도에 따른 반응 속도. 일반 물의 경우 낮은 수준의 전압이나 온도에 따라 삼각형 모양 변화가 거의 없는 것을 알 수 있으며, 이는 삼각형의 모양 변화가 양성자 터널링 때문에 발생한다는 것을 보여 주는 증거임. c, 전류에 따른 (H2O)3와 (D2O)3의 반응 속도. 일반 수소가 들어가 물 분자 삼각형과 중수소(D)가 들어간 물 분자 삼각형을 비교했을 때 중수소 물 분자 삼각형의 모양 변화가 느린데, 이는 중수소의 질량이 더 무겁기 때문이다. 터널링 속도는 질량에 반비례하므로, 이 실험 결과 또한 양성자 터널링이 일어나고 있다는 증거이다. d, 집단적 양성자 터널링 모델의 에너지 프로파일.

그림 4. 전압을 바꿔 가면서 삼각형의 모양 변화를 관찰한 결과 a,b, 넓은 범위의 전압에서 측정한 (H2O)3 및 (D2O)3의 반응 속도. c, 두 산소 원자 사이의 양성자가 들뜬 상태에서 터널링하는 상황을 보여주는 모식도. d, 짧아진 수소 결합에 의해 두 산소 원자가 가까워진 상황에서 양성자가 들뜬 상태에서 터널링 하는 상황을 보여주는 모식도.

그림 5. 전류에 따른 물 분자 삼각형의 반응 속도. a,b, 양전압 및 음전압에서 측정한 (D2O)3의 반응 속도. c,d, 양전압 및 음전압에서 측정한 (H2O)3의 반응 속도. e, 두 산소 원자 사이에서 일어날 수 있는 양성자 터널링을 보여주는 모식도.