합-주파수 생성 분광법을 이용하여 얻은 그래핀-물 계면에서 물 분자의 수소결합 구조(IBS 제공) © 뉴스1

기초과학연구원(이하 IBS) 조민행 분자 분광학 및 동력학 연구단장 연구팀이 그래핀의 두께에 따른 습윤 특성 변화를 분자 수준에서 규명하는 데 성공했다.

12일 IBS에 따르면 습윤성(wettability)은 표면이 물에 젖기 쉬운 정도를 나타내는 성질이다. 지금까지 그래핀 습윤성 연구는 주로 거시적 현상 관찰에 그쳤다. 그래핀 위에 물 한 방울을 떨어뜨리고 그 모양을 통해 습윤성을 파악하는 식이다.

하지만, 이런 방식으로는 그래핀 표면의 대략적 특성만 파악할 뿐, 그래핀과 물의 계면에서 일어나는 현상을 분자 수준에서 면밀히 측정하기 어려웠다.

이에 IBS 연구진은 ‘합-주파수 생성 분광법’이라는 기술을 이용해 그래핀-물 계면에 위치한 물 분자의 수소결합 구조만 선택적으로 관측하는 것이 가능함을 발견했다.

무작위의 배향을 가지던 물 분자들은 그래핀-물 계면에서는 일정한 배향을 가지게 되는데, 이 분자들의 신호만 선별하여 검출할 수 있는 기술이다.연구진은 플루오린화칼슘(CaF₂) 기판 위에 그래핀을 한 층씩 차례로 증착해가며 합-주파수 생성 분광법을 통해 계면 물 분자의 진동을 관측했다.

그 결과, 그래핀 층수에 따른 물 분자의 수소결합 구조 변화를 파악할 수 있었다.

기판의 습윤성이 그래핀을 투과하는 성질은 그래핀 층이 쌓일수록 감소했다.

특히, 4층 이상의 그래핀에서는 소수성 계면에서만 관측되는 수소결합을 하지 않는 물 분자들이 관찰됐다.

연구를 이끈 조민행 단장은 “그래핀이 물에서 활용될 경우 계면의 소수성이 효율성을 결정하는 핵심 요소인 만큼, 이번 연구가 최적의 그래핀 설계를 위한 아이디어를 제시할 것으로 기대한다”고 말했다.

한편, 이번 연구결과는 셀(Cell)의 화학 분야 자매지인 ‘켐’10일자 온라인판에 게재됐다.


km5030@news1.kr