'물 분자가 멈추는 순간' 포착 성공…"세계 최초"

UNIST 등 공동연구팀, 이차원 세계 물 분자 동역학 억제 모습 관찰

국내 연구진이 미세한 크기의 물 분자가 멈추는 순간을 포착하는 데 성공했다.

울산과학기술원(UNIST)은 물리학과 박형렬 교수팀이 김대식·박노정·정준우 교수팀, 강원대 정지윤 교수팀, 충북대 김경완 교수팀, 서울대 박윤 교수팀과 함께 테라헤르츠파를 이용해 나노 공진기 내부 이차원 세계에 갇힌 물 분자의 동역학이 억제되는 모습을 세계 최초로 확인했다고 25일 밝혔다.

나노 공진기에서 증폭된 고밀도의 빛을 이용해 물 분자에서 초고속으로 발생하는 다양한 군집 운동을 피코초(1조분의 1초)라는 찰나의 순간에 관찰한 것이다.

물의 동역학은 물 분자가 특정 주파수에서 특정 운동을 수행하는 것을 뜻한다.

동역학이 억제되면 물 분자는 잠깐 고체와 같은 성질을 갖게 되는데, 나노미터(㎚·10억분의 1ｍ) 두께의 물 분자는 테라헤르츠 전자기파의 파장보다 100만분의 1 정도로 작아 변화를 측정하는 것이 불가능했다.

이에 연구팀은 테라헤르츠파의 집속도를 향상할 수 있는 원자층 리소그래피 기술을 이용해 나노 공진기를 제작했다.

기존 나노 공진기는 수십 나노미터 수준까지만 틈의 너비를 줄일 수 있었지만, 원자층 리소그래피를 이용할 경우 1나노미터까지 너비를 줄일 수 있다.

제작된 공진기는 축전지의 원리에 따라 틈의 너비가 나노미터 영역으로 좁아질수록 분자 운동의 측정 감도가 크게 향상됐다.

기존 연구에 따르면 나노미터 틈에 갇힌 물에는 양쪽 면에 의해 분자가 정렬돼 움직임이 억제되는 '계면 효과'가 발생한다.

물 분자는 테라헤르츠 주파수 영역에서 피코초 속도로 움직이는 다양한 군집 운동을 하는데, 나노 틈에 갇힌 물 분자는 이러한 운동이 억제될 것이라 연구팀은 예상했다.

연구팀은 이를 확인하기 위해 2∼20나노미터까지 너비를 조정할 수 있는 나노 공진기를 제작하고, 틈 속에 물을 채웠다.

이어 테라헤르츠 전자기파 투과 실험을 통해 나노미터 두께의 물의 복소 굴절률을 확인했다.

관찰 결과 연구팀은 약 2나노미터 너비의 틈에서 계면 효과에 의해 물의 피코초 동역학이 억제되는 것을 최초로 포착했다.

또 10나노미터 틈에서 물 분자의 피코초 군집 운동이 감소해 동역학이 억제되는 것도 발견했다.

공동 제1저자인 지강선 연구원은 "나노미터 틈에 구속된 물은 계면 효과에 의해 정렬돼 고체와 비슷한 현상을 보이는 것으로 알려졌다"며 "실험을 통해 계면 효과뿐만 아니라 물 분자의 피코초 군집 운동 감소에 의한 영향도 존재한다는 것을 최초로 밝혀냈다"고 말했다.

박형렬 교수는 "이번 연구는 이차원 물 분자의 초이온 상태 등을 관찰하거나 DNA, RNA와 같은 용매에 있는 분자의 동역학을 연구하는 데 활용할 수 있다"며 "나노 공진기의 크기를 조절해 중적외선, 가시광 영역까지 확장할 수 있을 것"이라고 덧붙였다.

연구 결과는 국제 학술지 '사이언스 어드밴스'(Science Advances)에 24일 온라인으로 게재됐다.

연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단, 정보통신기획평가원, UNIST, 강원테크노파크의 지원을 받았다.

/연합뉴스