물 분자의 수소결합이 초고속 수축하는 모습 첫 촬영

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-08-28 23:34:49
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* 물 분자가 들뜨면 스스로 진동하기 시작할 뿐만 아니라 이웃도 진동
* 짧은 적외선 레이저 펄스는 물 분자 에너지를 이끌고 진동하도록 자극
* 물 분자의 진동과 수소 결합은 분자에 의해 편향되고 산란되는 전자에 특정 패턴 형성
* 약 0.0004나노미터만큼 일시적으로 수축 후 느슨해진다.

물 분자의 "줄다리기" 첫 관찰
전자 산란은 수소 결합의 초고속 수축을 처음으로 볼 수 있게 한다.


처음으로 연구자들은 물 분자와 수소 결합이 에너지 공급에 어떻게 반응하는지 직접 관찰했다. 놀라운 것은 이웃 분자에 대한 수소 결합이 다른 모든 결합처럼 느슨해지기 전에 잠시 수축한다는 것. 이것은 물에서 분자 내 반응과 분자 간 반응의 긴밀한 결합을 확인하고 일부 이상 현상을 설명할 수 있다. "Nature"지에 소개된 논문이다.

▲ 연구원들이 전자 산란을 사용해 처음으로 에너지 입력에 대한 물의 수소 결합의 초고속 반응을 관찰했다.

© Greg Stewart / SLAC 국립 가속기 연구소


물은 어디에나 있지만 신비하다.
다른 어떤 물질도 그렇게 많은 행동 이상을 보이는 경우가 거의 없기 때문이다.
여기에는 밀도 이상, 자기 해리, 액체 상태의 분자 덩어리 형성 또는 수십 가지 유형의 얼음이 포함된다. 수소 결합은 물의 이러한 많은 특성에서 결정적인 역할을 한다. 즉, 부분 전하를 원자에 끌어당겨 분자를 느슨하게 연결한다.

복잡한 상호 작용의 네트워크

모든 것 중에서 수소 결합의 거동은 지금까지 물에서 부분적으로만 알려져 있다.
H2O-분자가 이러한 결합을 통해 복잡한 상호 작용 네트워크를 형성한다는 것은 분명하다.
예를 들어, 물 분자가 들뜨면 스스로 진동하기 시작할 뿐만 아니라 이웃도 진동한다. 이것이 물에서 많은 화학적 및 물리적 반응에 결정적인 영향을 미친다.

캘리포니아 멘로 파크에 있는 SLAC 국립 가속기 연구소의 지 양(Jie Yang)과 동료들은 "이러한 초고속 진동 운동에 대한 정확한 설명은 수소 결합과 많은 화학 용액 반응의 특성을 이해하는 데 필수적이다"고 설명한다. 지금까지 사용된 분광법은 원자 수준에서 거동을 부분적으로만 매핑할 수 있다.

전자빔에서 워터 젯(Water jet)

이것이 Yang과 그의 동료들이 공간적, 시간적으로 고해상도 전자 산란이라는 다른 접근 방식을 선택한 이유다. 이를 위해 두께가 100나노미터에 불과한 분수가 진공 챔버로 펌핑된다.
짧은 적외선 레이저 펄스는 물 분자 에너지를 이끌고 진동하도록 자극한다. 동시에, 샘플은 집중된 고속 전자빔으로 충격을 받는다.

물 분자의 진동과 수소 결합은 분자에 의해 편향되고 산란되는 전자에 특정 패턴을 만든다. 이 산란 패턴을 높은 시간 해상도로 캡처하여 팀은 빠르게 연속되는 스냅 샷에서 일종의 고속 필름을 만들 수 있었다. 시간적 분해능은 100펨토초(1초의 1천조 분의 1) 미만이었고 공간 분해능은 약 0.1나노미터였다.

▲ 수소 결합을 통해 물 분자를 연결해 물 클러스터를 형성한다. 이는 분자의 거동에 상당한 영향을 미친다.

출처: self-made with open source visualization software PyMol


수소 결합의 초고속 수축

이 측정은 세 개의 인접한 물 분자 사이의 수소 결합이 여기에 어떻게 반응하는지 자세히 처음으로 밝혀냈다. 이에 따르면 에너지 공급은 분자 내에서 진동을 유발할 뿐만 아니라 다음 이웃 분자에 대한 수소 결합도 처음 80펨토초 내에 반응한다. 팀 보고서에 따르면 약 0.0004나노미터만큼 일시적으로 수축한다.

이 수소 결합의 초고속 수축 후에야 결합이 상당히 느리게 풀린다.
Yang과 그의 팀은 "수소 결합의 수축과 확장의 순서는 직관적이지 않은 것 같다"고 말했다. 실제로 에너지 공급 후 결합의 즉각적인 이완을 기대할 수 있기 때문이다.

분자 내 그리고 집단 반응 결합

과학자들은 이러한 행동이 분자 내 결합과 물 분자의 집합적 네트워크 사이의 상호 작용으로 설명될 수 있다고 말한다. 수소 결합의 초고속 느슨해짐과 병행하기 때문에 그들은 산소와 수소 사이의 공유 결합이 물 분자 내에서 어떻게 느슨해졌는지 관찰했다. 그 대가로 이 변화는 가장 가까운 수소 결합을 수축시킨다.

"그들은 물 진동의 분자 간 성질의 맥락에서 이 운동을 이해해야 한다"라고 Yang과 그의 동료들은 기술했다. "우리의 관찰은 물에서 분자 내 및 분자간 진동의 결합에 대해 완전히 새로운 빛을 주었다." 연구원들은 이러한 상호 작용이 물의 특이한 특성 중 일부를 설명할 수 있기를 바란다.

공동 저자인 스톡홀름 대학의 Anders Nilsson은 “이제 문제는 이 양자 효과가 물의 변칙적 특성을 설명하는 이론적 모델에서 누락된 연결 고리가 될 수 있는까”라고 말했다.
(Nature, 2021; doi: 10.1038 / s41586-021-03793-9)
출처: DOE/ SLAC National Accelerator Laboratory

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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