본문 바로가기
Dim영역

세계 최초 ‘물 분자 1조분의 1초 포착!’… UNIST 등 4개 공동 연구팀

뉴스듣기 스크랩 글자크기

글자크기 설정

닫기
인쇄 RSS

테라헤르츠파로 나노미터 물의 동역학 최초 관찰

운동 감소 동역학 억제, Science Advances 게재

미세한 크기의 물 분자가 멈추는 순간이 포착됐다.

윗줄 왼쪽부터 제 1저자 양효심 연구원, 정지윤 교수(강원대), 제 1저자 지강선 연구원, 이형택 연구원, 아랫줄 왼쪽부터 정준우, 박노정, 박형렬, 김대식 교수.

윗줄 왼쪽부터 제 1저자 양효심 연구원, 정지윤 교수(강원대), 제 1저자 지강선 연구원, 이형택 연구원, 아랫줄 왼쪽부터 정준우, 박노정, 박형렬, 김대식 교수.

AD
원본보기 아이콘

UNIST(총장 이용훈) 물리학과 박형렬 교수팀은 강원대학교 정지윤 교수팀, UNIST 김대식, 박노정, 정준우 교수팀, 충북대학교 김경완 교수팀, 서울대학교 박윤 교수팀과 함께 테라헤르츠파를 이용해 나노 공진기 내부 이차원 세계에 갇힌 물 분자의 동역학이 억제되는 것을 세계 최초로 확인했다.


나노 공진기에서 증폭된 고밀도의 빛으로 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 말한다. 동역학이 억제되면 물 분자는 잠깐 고체와 같은 성질을 갖게 된다. 나노미터(nm, 10억분의 1m) 두께의 물 분자는 테라헤르츠 전자기파의 파장보다 백만분의 일 정도로 작아 물 분자의 변화를 측정하는 것은 불가능했다.


제1 저자 양효심 UNIST 연구원은 “기존 물 분자의 특성은 매우 낮은 주파수에서 전기적으로 측정했다”며 “하지만, 테라헤르츠 영역과 같은 높은 주파수에서 매우 좁은 틈에 갇힌 물 분자들의 동역학’에 대해선 밝혀진 바가 없었다”고 덧붙였다.


연구팀은 테라헤르츠파의 집속도를 향상시킬 수 있도록 원자층 리소그래피 기술을 이용해 나노 공진기를 제작했다. 기존의 나노 공진기는 수십 나노미터 수준까지만 너비를 줄일 수 있었다. 하지만 원자층 리소그래피를 이용한 나노 공진기는 1㎚까지 틈의 너비를 줄일 수 있다.

제작된 공진기는 축전기의 원리에 따라 틈의 너비가 나노미터 영역으로 좁아질수록 내부에 유도되는 전기장의 변화에 특성이 민감하게 바뀐다. 즉, 분자 운동의 측정 감도가 크게 향상된다.


기존 연구에 따르면 나노미터 틈에 갇힌 물은 양쪽 면에 의해 물 분자가 정렬되어 그 움직임이 억제되는 ‘계면효과’가 발생한다. 물 분자는 테라헤르츠 주파수 영역에서 피코초 속도로 움직이는 다양한 군집 운동을 하는데, 나노 틈에 갇힌 물 분자는 이러한 군집 운동이 억제될 것이라 예상했다.


연구팀은 이를 확인하기 위해 2∼20㎚까지 너비를 조정할 수 있는 나노 공진기를 제작하고 틈속에 물을 채웠다. 테라헤르츠 전자기파 투과실험을 통해 나노미터 두께의 물의 복소 굴절률을 확인했다. 실험 대상에 빛이 진행할 때, 빛의 크기가 줄어드는 비율로 물의 동역학 변화를 확인했다.


연구팀은 약 2㎚ 너비의 틈에서 계면효과에 의해 물의 피코초 동역학이 억제되는 것을 최초로 확인했다. 또 10㎚의 틈에서 물 분자의 피코초 군집 운동이 감소해 동역학이 억제되는 것 또한 발견했다.


공동 1 저자 지강선 UNIST 연구원은 “기존 나노미터 틈에 구속된 물은 계면효과에 의해 정렬돼 고체와 비슷한 현상을 보이는 것으로 알려졌다”며 “이번 실험을 통해 계면 효과뿐만 아니라 물 분자들의 피코초 군집 운동 감소에 의한 영향도 존재한다는 것을 최초로 밝혔다”고 설명했다.


박형렬 교수는 “이번 연구는 이차원 물 분자의 초이온 상태(superionic phase) 등을 관찰하거나 DNA, RNA와 같은 용매에 있는 분자들의 동역학을 연구하는 데 활용될 수 있다”며 “나노 공진기의 크기를 조절해 중적외선, 가시광 영역까지 확장할 수 있는 연구다”고 덧붙였다.

금속 나노 공진기 내부에 갇힌 물의 동역학 개략도.

금속 나노 공진기 내부에 갇힌 물의 동역학 개략도.

원본보기 아이콘

이번 연구는 세계적 권위의 국제 학술지인 사이언스 어드밴스(Science Advances)에 온라인 게재됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF), 정보통신기획평가원(IITP), 울산과학기술원, 강원테크노파크(GWTP)의 지원을 받아 이뤄졌다.





영남취재본부 김철우 기자 sooro97@asiae.co.kr
AD

<ⓒ투자가를 위한 경제콘텐츠 플랫폼, 아시아경제(www.asiae.co.kr) 무단전재 배포금지>

함께 본 뉴스

새로보기

이슈 PICK

  • 1만7000원 육박…치솟는 삼계탕값, 커지는 보양식 걱정 '홍명보 감독 선임' 이사회 23명 중 21명 찬성…축구협회, 비난 여론 '정면돌파' 양대노총 "최저임금 1만30원, 명백한 실질임금 삭감"

    #국내이슈

  • 이스라엘 남성 군 복무 기간 36개월로 연장 "8년간 유지" 한미, '핵전력 기반' 동맹 격상…美 핵작전 논의 '최초' 나토, '워싱턴 선언' 발표…"북·러 군사 협력 강화 심각한 우려"(종합)

    #해외이슈

  • 암바니 세 자녀 결혼식 모두 챙긴 이재용…韓기업인 중 유일하게 초청받아 "'갤럭시 AI' 올해 2억대 기기 탑재…당분간 유료화 계획 無" "헬멧 쓴 고양이는 뭐지?"…삼성전자 총파업에 뜬 신스틸러 정체

    #포토PICK

  • "내수→수출 기지로 전환" 전략 바꾼 韓中자동차 합작사 "일단 삽니다" 가격 공개도 안 했는데…사전계약 7000대 돌파한 車 2000만원대 초중반…현대차 캐스퍼 일렉트릭 사전계약

    #CAR라이프

  • "드라마에선 피곤할 때 이거 먹더라"…'PPL 사탕' 코피코 만든 이 회사[뉴스속 기업] [뉴스속 용어] AI 기술혁신 핵심 동력 부상한 '소버린 AI' [뉴스속 용어]美 바이든 '원전 배치 가속화 법안' 서명

    #뉴스속OO

간격처리를 위한 class

많이 본 뉴스 !가장 많이 읽힌 뉴스를 제공합니다. 집계 기준에 따라 최대 3일 전 기사까지 제공될 수 있습니다.

top버튼

한 눈에 보는 오늘의 이슈