물 분자 움직임이 전압에 따라 어떻게 달라지는지 직접 관찰하는 것을 세계 최초로 성공했다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 분자 분광학 및 동력학 연구단 조민행 단장(고려대 화학과 교수) 연구팀은 미국 위스콘신 화학과 마틴 자니 (Martin T. Zanni) 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 전압 변화에 따른 금속 전극 표면의 물 분자 움직임을 펨토초 (fs·1000조 분의 1초) 단위에서 관찰하는 데 성공했다.

전압에 따른 물 분자 움직임을 관찰하는 것은 전기화학적 반응을 이해하는 측면에서도 중요하지만, 청정 기술로 주목받고 있는 ‘차세대 수전해질 전지 개발’에도 의미가 크다. ‘수전해질 전지’란 물을 용매로 사용하는 리튬이온전지를 말하는데, 수전해질 전지가 개발되면 화학적으로 안전한 물을 사용하기 때문에 인화성이 낮아 폭발의 위험성이 없다. 더 나아가 유독한 화학물질이나 비수용액 용매의 사용에 따른 환경오염의 위험도 크게 낮출 수 있다. 이런 가능성으로 인해 최근에는 전극 표면에 존재하는 물 분자들의 움직임을 포함하여, 전하 운반체 역할을 하는 이온 용매화¹⁾ 에너지 변화, 이온 탈용매화²⁾ 현상, 그리고 산화-환원 반응³⁾ 연구를 위해 다양한 분광학적 방법이 활용되고 있다.

그러나 기존 방법으로는 전극 표면에 있는 극소량의 물 분자들을 직접 관찰하는 것이 거의 불가능했다. 크기가 매우 작은 분자들을 관찰하기 위해 아주 짧은 레이저 광선을 조사한 뒤 분자들이 만들어내는 시그널을 시간에 따라 관찰하는 시분해 분광법이 널리 활용되었지만, 금속 표면 근처의 물 분자에 의한 신호보다 금속 전극 그 자체가 만들어내는 신호가 훨씬 크기 때문에 물 분자 움직임만을 선택적으로 측정 연구하는 것이 대단히 어려웠다.

국제 공동 연구팀은 정교하게 설계된 화합물을 금(Au) 전극 표면에 흡착시킨 후 그 탐침 분자에 대한 2차원 진동 분광학 측정과 동시에 분자 동력학 시뮬레이션 방법을 시행했다. ‘2차원 진동 분광학’은 연구 대상 물질에 짧은 레이저 빛을 가한 후 시간에 따라 변화하는 2차원 신호를 분석함으로써 분자의 구조 및 움직임을 탐지하는 방법이다. 그리고‘분자 동력학 시뮬레이션’은 컴퓨터를 이용하여 물질을 이루는 원자들의 움직임에 대한 운동방정식을 풀어 물질 내의 원자와 분자들의 움직임을 예측하는 방법이다. 연구팀은 이 2가지 방법을 접목하여 물 분자와 금속 표면에 흡착된 유기 분자간의 상호 작용인‘수소결합’의 구조 및 물 분자 움직임을 실시간 관찰했다.

또한 전극에 가해주는 전압 크기와 부호에 따라 물 분자의 움직임이 달라지는 특이한 현상도 처음으로 확인할 수 있었다. 양의 전압을 가하면 물 분자의 움직임이 느려지고, 음의 전압을 가하면 빨라지는 것과 함께 그 변화의 정도가 전압의 크기에 비례하는 것도 관찰할 수 있었다. 이 결과는 전극 표면에 존재하는 물의 산화 환원 반응 역시 물 분자 움직임과 밀접한 관계가 있을 수 있다는 것을 의미한다.

분자 분광학 및 동력학 연구단 소속의 공동저자인 곽기정 연구원은“순수한 물에 더해 다양한 이온들이 공존하는 상황에서의 전기화학적 계면 현상도 연구할 계획”이라고 말했다. 조민행 단장은 “전기화학반응을 이해하는데 중요한 정보를 제공하는 연구 결과이며, 향후 수전해질을 이용한 배터리 개발 및 응용에 필요한 물리화학적인 통찰을 제시했다”라고 말했다.

이 연구결과는 국제학술지 ‘미국국립과학원회보(Preceedings of the national acacemy of sciences, IF 11.1)’에 게재될 예정이다.

그림 설명

[그림 1] 금(Au) 표면의 흡착 분자와 주변의 물 분자들을 나타낸 그림.

[그림 2] 분자동력학 모의실험에 사용된 모델을 나타낸 그림. 양쪽 끝에 세 개의 층으로 이루어진 금(Au) 전극이 있고 왼쪽 전극에는 흡착된 분자가 보이고 반대편 전극과의 사이가 물 분자들로 채워져 있다.

[그림 3] 흡착분자와 물분자 사이의 수소결합 상호작용을 나타낸 그림.

IBS 홍보팀
이승언

1) 용매화 : 이온들이 용매에 녹을 때 주로 물리적인 힘이 작용하여 분자집단을 만드는 현상

2) 탈용매화 : 용매화층을 제거하는 것. 물의 경우에는 탈수이다. 즉 건조 증발시키는 것

3) 산화-환원 반응 : 물질 간의 전자 이동