탄소 원자가 평면으로 늘어선 "그래핀"을 이용하여 실온 하에서 물 분자가 고성능으로 배열되어
2차원 결정 제작에 성공했다고 하는 보고가 독일 울름대학과 영국 러더퍼드 애플턴 연구소 등
국제 연구진으로부터 발표되었다.
이 연구 성과는 Nature지에 게재되었다.
보통 물 분자는 산소 원자에 두개의 수소 원자가 104.5도의 각도로 결합하고 있지만, 온도가 저하하여
분자간 거리가 긴축되면, 다른 물 분자 사이의 수소 결합을 형성하고 입체적인 구조(=얼음)를 형성한다.
우리가 일상 생활에서 볼 수 있는 얼음을 원자와 분자 같은 수준으로 보면, 정사면체의 유닛이 질서
정연하게 연결된 구조를 취하고 있지만, 여기에 온도와 압력을 변화시켜 가는 것으로 분자의 배열 방법
이 다양하게 변화 해가는 것으로 알려져 있으며, 현재까지 15가지 결정 구조가 보고되어져 있다.
이러한 온도, 압력 의존에 의한 결정 구조의 변화는 물 분자가 평면 상에 배열 한 "이차원 얼음"에서도
마찬가지로 존재할 수 있다는 이론 연구의 결과가 일부 보고되고 있지만, 실험이 곤란하기 때문에 그러한
구조의 분석은 모노머와 다이머 등 수분자 단위에서의 관찰 결과를 바탕으로 한 시뮬레이션에 한정되어 있었다.
▼ 일반 얼음의 결정 구조
http://rikanet2.jst.go.jp/contents/cp0200a/contents/30520.html
▼ 물의 다이아그램. 고체는 총 열 다섯 단계의 존재가 보고되고 있다.
http://en.wikipedia.org/wiki/Ice#Phases
연구 그룹은 이번, 물 분자가 그래핀 시트를 투과하는 성질을 이용하여 이차원의 "얼음 상태"를 생성하는
것을 착상. 먼저 실온 환경에서 그래핀 시트에 1마이크로 리터의 물을 떨어뜨려, 그 위에 다른 그래핀 시트를
거듭 하여 "샌드위치"를 제작하고, 이 샘플을 투과형 전자 현미경(TEM)으로 관찰 한 결과, 물 분자가 규칙적으로
배열 된 구조가 형성되어 있는 것을 발견했다.
연구 그룹은 이 상태를 "스퀘어 아이스"라고 명명, 자세한 분광 분석을 실시.
그 결과, 문 분자의 격자 상수는 2.83Å (= 0.28nm)라는 매우 "찬" 상태를 취하고 있으며, 수소 원자와 산소
원자의 결합 각도는 약 90도로 되어 있었던 것. 또한 평면 모양으로 늘어선 스퀘어 아이스를 두 층,
삼층 및 입체적으로 쌓아가는 것이 가능하다는 것도 발견했다고 한다.
이러한 특이적인 구조가 나타나는 원인은 한 원자 정도의 틈 밖에없는 그래핀 시트 사이에서
발생하는 초고압의 힘이라고 생각되고 있으며, 연구 그룹의 시뮬레이션에서는 물 분자가 받고 있는
압력은 10,000 기압에 달하는 것으로 추정되고 있다.
▼ 새로 발견 된 물의 이차원 결정의 TEM 이미지. 검은 부분이 물 분자에 산소 원자.
▼ 4분 동안 녹화 된 TEM 영상을 100배의 속도로 빠르게 한 것.
동영상 : Youtube
논문의 대표 저자 인 울름 대학의 Gerardo Algara-Siller 씨에 따르면, 이 연구 성과는 탄소 나노 튜브
와 세포막 내의 같은 나노 수준의 미세한 공간 내부의 물 분자의 행동을 이해하는데 중요한 지식이 된다고.
