금(Au) 표면의 흡착 분자와 주변의 물 분자들을 나타낸 그림.(IBS 제공)/뉴스1

국내 연구진이 세계 최초로 전압에 따라 달라지는 물 분자 움직임을 관찰했다.

기초과학연구원(IBS)은 조민행 분자 분광학 및 동력학 연구단장 연구팀이 미국 위스콘신 화학과 마틴 자니 교수 연구팀과 전압 변화에 따른 금속 전극 표면의 물 분자 움직임을 펨토초(fs·1000조 분의 1초) 단위에서 관찰하는 데 성공했다고 20일 밝혔다.연구팀은 정교하게 설계된 화합물을 금(Au) 전극 표면에 흡착시킨 후 탐침 분자에 대한 2차원 진동 분광학 측정과 분자 동력학 시뮬레이션 방법을 동시 시행했다.

‘2차원 진동 분광학’은 연구 대상 물질에 짧은 레이저 빛을 가한 후 시간에 따라 변화하는 2차원 신호를 분석함으로써 분자의 구조 및 움직임을 탐지하는 방법이다.

분자 동력학 시뮬레이션’은 컴퓨터를 이용해 물질을 이루는 원자들의 움직임에 대한 운동방정식을 풀어 물질 내의 원자와 분자들의 움직임을 예측하는 방법이다.

연구팀은 이 두 방법을 접목해 물 분자와 금속 표면에 흡착된 유기 분자 간 상호 작용인‘수소결합’의 구조 및 물 분자 움직임을 실시간 관찰했다.또 전극에 가해주는 전압 크기와 부호에 따라 물 분자의 움직임이 달라지는 특이한 현상도 처음 확인했다.

이밖에 양의 전압을 가하면 물 분자의 움직임이 느려지고, 음의 전압을 가하면 빨라지는 것과 함께 그 변화의 정도가 전압의 크기에 비례하는 것도 관찰할 수 있었다.

이는 전극 표면에 존재하는 물의 산화 환원 반응 역시 물 분자 움직임과 밀접한 관계가 있을 수 있다는 것을 의미한다.

기초과학연구원 조민행 분자 분광학 및 동력학 연구단장(왼쪽)과 곽기정 연구원

조민행 단장(교신저자)은 “전기화학 반응을 이해하는데 중요한 정보를 제공하는 연구 결과"라며 "수전해질을 이용한 배터리 개발 및 응용에 필요한 물리화학적인 통찰을 제시했다"고 말했다.

곽기정 IBS 연구원(공동저자)은 “순수한 물에 더해 다양한 이온들이 공존하는 상황에서의 전기화학적 계면 현상도 연구할 계획”이라고 했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 ‘미국국립과학원회보'에 게재될 예정이다.


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