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  • 그래핀 모세관 내부에서 사각형의 구조를 이루고 있는 얼음등록일 : 2015/03/28
  • 그래핀으로 만들어진 모세관을 통해서 벌크 상태의 물질 내부에 있는 물의 구조를 분석한 새로운 연구결과가 저널 Nature에 발표되었다. 연구진은 물이 얼음이 되는 과정에서 그래핀 모세관 내부에서는 정사각형의 구조체를 이룬다는 것을 발견했다. 이번 연구는 필터링, 담수화, 증류 등 여러 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

    물은 지구 상에서 가장 풍부하고 친숙한 존재이다. 이러한 물은 매우 다양한 형태로 존재한다. 액체, 수증기, 얼음의 15 결정 구조 등 많은 형태로 존재한다. 일반적으로 얼음은 육각형의 매우 매혹적인 눈꽃 모양을 이루고 있다. 그러나 이러한 물의 실제적인 정밀한 구조에 대해서는 그다지 많이 알려지지 않고 있다. 물은 우리 주변의 모든 표면을 덮고 있다. 심지어 건조한 사막에도 물은 그 표면을 덮고 있다. 바위의 미세한 균열에도 물은 그 표면에 남아 있다. 이러한 물의 미세 구조 및 그 거동에 대해서는 거의 알려지지 않고 있다. 특별히 미세한 관 속에 있는 물의 구조는 더욱 그렇다.

    이번에 맨체스터대학 연구진을 비롯하여 여러 연구진은 투명한 나노크기의 모세관을 만들어 그 속에 있는 물의 원자 구조를 분석할 수 있는 새로운 연구결과를 발표했다. 연구진은 고배율 전자 현미경을 사용하였다. 이를 통해서 개개의 물 분자를 확인할 수 있게 되었다. 나노 모세관은 그래핀으로 만들어졌으며 그래핀은 단원자 두께로 이루어진 소재이여 전자현미경 사진의 왜곡을 막는 역할을 한다.

    놀랍게도 과학자들은 그래핀 모세관 내부에 있는 물 분자가 실온에서 사각형 결정 구조를 이루고 있다는 것을 확인했다. 물 분자는 사각 격자를 이루고 서로 평행하게 긴 공간을 따라 배열한다. 이러한 구조는 기존의 물 분자가 이루는 것에 비해서 완전히 다른 새로운 구조이다. 특별히 얼음의 구조와는 다른 새로운 구조이다.

    컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 연구진은 어떻게 사각형 얼음이 자연에서 존재할 수 있는지를 확인하였다. 이번 연구결과는 물의 층이 충분히 얇으면 사각형 얼음 구조를 이루는 것이 가능하며 특별히 나노기공과 같은 공간이 이러한 물 분자의 구조를 유지하게 하는 원인이 된다는 것을 확인했다. 따라서 사각형 얼음은 분자 단위에서는 비교적 흔하게 존재한다는 것을 확인했다. 특별히 미세한 크랙이나 기공을 가진 물질 내부에는 물이 그러한 형태로 존재한다는 것을 확인하게 되었다.이번 연구진을 이끈 맨체스터대학 Irina Grigorieva 교수는 “과학자들은 물의 구조를 이해하려고 그 동안 많은 노력을 기울였지만 지금까지는 단순히 컴퓨터 시뮬레이션 수준에서 그치고 있었다. 그러나 그래핀으로 만들어진 새로운 구조체는 이러한 결과를 실제 눈으로 확인할 수 있게 하였다”고 설명했다.

    미세한 균열 기공, 채널은 어디에나 존재한다. 나노크기에서 물의 움직임을 이해하는 것은 벌크 상태의 물의 움직임을 이해하는 것과는 완전히 다르다. 이번 연구는 물을 이해하는데 많은 도움이 될 것으로 기대된다. 이번 연구는 이차원의 사각형의 얼음 상태의 물 분자가 실온에서 존재한다는 것을 보여주고 있다. 지금까지는 얼음으로 존재하는 물이 이러한 구조를 이룬다는 것은 아무도 생각하지 못했다. 나노 영역에서의 새로운 연구는 그 동안 우리가 인식하지 못한 새로운 세계를 보여주고 있다고 연구진은 설명했다.

    그림. 투과형전자형미경 사진은 그래핀 시트 사이에 사각형의 얼음이 존재한다는 사실을 보여주고 있다. 완전히 어두운 스팟은 산소원자를 나타내고 조금 덜 어두운 스팟은 수소 원자를 나타내고 있다.
    그림. 사각형 얼음의 컴퓨터 시뮬레이션 결과는 그래핀 나노기둥 내에 존재하는 물의 단일 층의 다이내믹한 활동을 보여주고 있다. 붉은색과 흰색 원은 산소와 수소 원자를 나타내며 짧은 푸른 색은 그래핀을 나타낸다.

    이번 연구는 Nature에 “ Square ice in graphene nanocapillaries”라는 제목으로 게재되었다. (DOI: 10.1038/nature14295)
  • 키워드 : 그래핀, 투과형전자현미경, 얼음
  • 출처 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑