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- 원자력 현미경과 피코 분광법으로 철과 코발트의 궤도 차이를 보여줘
- 화학, 나노 기술 및 재료 연구를 위한 새로운 기회

가시화된 전자 궤도
원자력 현미경과 피코 분광법은 철과 코발트의 궤도 차이를 보여준다.

원자 내부 살펴보기:
화학자들은 각각의 철 및 코발트 원자의 전자 오비탈을 가시화하는 데 성공했다. 원자 현미경과 컴퓨터 보조 피코 분광법 이미지는 주기율표에서 서로 인접한 금속 사이의 미묘한 차이를 보여준다. 팀이 "Nature Communications"에 보고한 것처럼 개별 원자의 전자 궤도를 보면 화학 결합 및 반응에 대한 새로운 통찰력을 얻을 수 있다. 

▲ 이 원자력 현미경 사진에서, 화합물 철 프탈로시아닌의 중심 철 원자의 3d 전자 오비탈은 십자형 구조로 볼 수 있다. © Chen et al./Nature Communications, CC-by 4.0

화학 반응에서 원자의 거동은 주로 전자 때문이다. 그들은 수와 에너지 상태에 따라 원자핵 주위의 다른 궤도에서 움직인다. 문제의 전자가 존재할 가능성이 가장 높은 공간은 전자 궤도로 요약된다. 그들의 형태와 양이 화학 결합의 유형과 결과 분자의 특성을 결정한다.

철과 코발트 원자의 비교

그러나 원자의 전자 오비탈이 실제로 어떻게 보이는지는 일반적으로 결합 에너지, 원자간 거리 및 반응 거동을 기반으로 하는 이론적인 계산을 통해서만 결정할 수 있다. 반면에 단일 원자나 화학 결합의 전자 구조를 직접 측정하는 것은 어렵다.

그럼에도 불구하고 연구팀은 이제 처음으로 철과 코발트 원자의 전자 오비탈을 매핑하고 비교하는 데 성공했다. 그들의 실험에서 질소-탄소 고리 분자인 프탈로시아닌은 이러한 원자의 "캐리어" 역할을 했다. 철 또는 코발트 원자가 그 중심에 결합돼 있다. 그런 다음 화학자들은 고해상도 비접촉 원자력 현미경(HR-AFM)으로 구리 표면에 배열된 복합 화합물을 스캔했다.

라이트 로브 및 컴팩트 스퀘어

이미지는 "코발트 원자는 더 밝게 보이고 수평면에서 4개의 명확하게 식별할 수 있는 로브가 있는 반면, 철 원자는 거의 정사각형 모양을 가진 것으로 나타났다"고 Chen과 그의 동료들은 보고했다. 이러한 눈에 보이는 모양의 차이와 병행해 두 원자는 현미경 끝에 가하는 힘에서도 아주 작은 차이를 보였다.

"우리가 이러한 기록과 값을 보았을 때 실험이 그렇게 작은 차이를 포착할 수 있다는 사실에 놀랐다"고 오스틴에 있는 텍사스 대학의 공저자 James Chelikowsky가 말했다. 측정은 이 힘에 의해 기록된 철 원자 주변의 에너지 지형이 상대적으로 평평하다는 것을 보여주기까지 했다. 반면 코발트 원자의 경우에는 고저가 눈에 띈다. 두 원소의 전자 오비탈의 미묘한 차이가 원인이 되는 것으로 의심되었다.

▲ 유기 분자 프탈로시아닌(노란색, 빨간색)은 중심 철 원자(파란색)의 "홀더" 역할을 한다. © Chen et al./Nature Communications, CC-by 4.0

철은 평평한 3d 오비탈을 가지고 있고, 코발트는 높은 3d 오비탈을 가지고 있다.
이를 입증하기 위해 연구원들은 밀도 함수 이론(DFT)으로 알려진 것을 사용하여 데이터를 확인했다. 기본 양자 물리 법칙을 기반으로 원자와 분자의 예상 전자 밀도와 궤도 구성을 결정할 수 있다. "우리는 샘플의 각 개별 그리드 지점에서 양자 힘을 계산하기 위해 수백 가지의 서로 다른 컴퓨터 계산을 사용했다"고 Princeton University의 공동 저자 Dingxin Fan이 보고했다.

이 실험의 결과는 "관찰된 차이는 철과 구리의 고도로 들뜬 3d 전자의 차이 때문"이라는 가정을 확인시켜 주었다. -y2 한 평면에 놓임 -오비탈 켜기 - 평평하고 거의 정사각형 모양을 만든다. 반면 코발트의 경우 평면에서 위아래로 돌출된 dxz 및 dz2 오비탈이 주로 점유된다.

▲ 철과 코발트에서 3d 전자 오비탈의 미묘한 차이: 코발트에서는 면외(z) 오비탈이 더 두드러진다. © Chen et al./Nature Communications, CC-by 4.0

화학, 나노 기술 및 재료 연구를 위한 새로운 기회

따라서 연구팀은 원자력 이미지가 실제로 개별 철 및 코발트 원자의 전자 궤도를 매핑하고 그 차이를 반영한다는 것을 입증했다. 이것은 원자와 분자를 연구하는 새로운 가능성을 열어준다. "원자력 현미경과 같은 기술을 사용하여 전자 오비탈의 서명을 직접 관찰함으로써 개별 원자와 분자의 거동을 더 잘 이해할 수 있다"고 Chelikowsky는 말했다.

"이것은 재료 연구, 나노 기술 및 촉매 작용과 같은 연구 분야에서 특히 중요하다"고 화학자는 말했다. 예를 들어 전자 오비탈을 직접 관찰하면 분자 내에서 화학 반응이나 촉매 작용에 중요한 변화가 일어나는 위치를 알 수 있다. 또한 이것은 새로운 맞춤형 재료를 개발하는 데 도움이 될 수 있다.
(nature communications, 2023; doi: 10.1038/s41467-023-37023-9)
출처: University of Texas at Austin

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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