- UNIST 신형준 교수팀, 단일 이온 제어기술 개발 소금이 물에 녹는 이미지와 원자 세계에서 일어나는 단일 이온 용해.[UNIST 제공] [헤럴드경제=구본혁 기자] 소금의 용해 현상을 원자 수준으로 관찰하고, 이온이 용해되는 원리를 밝힐 수 있는 기술이 개발됐다. 울산과학기술원(UNIST) 신소재공학과 신형준 교수팀은 하나의 물 분자를 제어해 소금에서 특정 이온을 추출할 수 있는 ‘단일 이온 제어기술’을 개발했다. 이온의 특성을 활용해 선택적으로 용해를 유도하는 것이다. 이온은 세포의 신호 전달이나 배터리, 반도체 등 다양한 응용 연구 분야에서 핵심적인 역할을 하는 입자다. 하지만 지금까지 간단한 소금의 용해 현상을 포함해 이온의 특성을 단일 이온 수준으로 연구하는 것은 실험적으로 불가능했다. 우리가 주변에서 가장 흔하게 볼 수 있는 소금(NaCl)은 나트륨 양이온(Na+)과 염소 음이온(Cl-) 사이의 강한 이온 결합으로 이뤄진다. 물과 닿게 되면 극성분자인 물 분자에 의해 이온 결합이 끊어지게 되어 소금물이 된다. 물 분자 제어에 의한 선택적 음이온 추출 과정 모식도.[UNIST 제공] 신형준 교수는 “물에 녹은 이온은 수화(hydration)된 상태로 존재하기 때문에, 용액 속의 수많은 물 분자와 함께 끊임없이 움직여 이온을 개별적으로 제어하거나 그 특성을 연구하기 어려웠다”고 설명했다. 연구팀은 -268.8℃의 극저온과 초고진공 상태의 환경에서 원자 2~3층 두께의 얇은 소금 막(film) 위에 개별 물 분자를 증착했다. 원자 수준 이하의 해상도를 갖는 주사터널링현미경(STM)으로 소금 표면에 놓인 물의 움직임과 단일 이온 추출에 관한 연구를 성공적으로 수행했다. 연구팀은 주사터널링현미경의 미세 탐침을 정밀하게 제어해 소금 표면에 흡착한 물 단분자를 원하는 특정 방향으로 이동시켰다. 이동시키며 발생한 약 10피코미터(10조 분의 1미터) 수준의 탐침 높이 변화를 분석해 염소 음이온과 물 분자가 강한 상호작용을 하고 있음을 밝혔다. 신형준(왼쪽) 교수와 한희원 연구원.[UNIST 제공] 연구팀은 하나의 물 분자를 원자 한층 두께의 소금계면 계단층을 따라 이동시켰다. 이동한 경로에서 한 개의 이온이 사라지는 것을 관측했다. 이는 물 분자의 쌍극자 모멘트에 의해 소금의 이온 결합이 끊어져 단일 이온이 추출된 것이다. 물 분자를 제어해 단일 이온을 추출할 때 항상 염소 음이온(C1-)이 나트륨 양이온(Na+)보다 우선적으로 용해되는 현상 또한 발견했다. 이것은 나트륨 양이온과 염소 음이온의 분극률(polarizability) 외부 전기장에 의해 물질에 발생하는 쌍극자 모멘트 차이 때문이다. 높은 분극률을 가진 음이온이 양이온보다 물 분자의 영향을 크게 받는다. 특히 주변에 결합하고 있는 이온이나 원자가 부족한 계단층 표면에서 더 두드러지게 나타났다. 한희준 석·박통합 연구원은 “지금까지 물에 의해 소금이 녹는 현상은 이론적으로만 이해할 수 있었는데, 이번 연구로 정밀한 물 분자를 제어해 단일 이온 추출에 성공했다”며 “그동안 알지 못했던 분극률이 선택적 용해 현상에 미치는 영향을 규명할 수 있었다”고 설명했다. 신형준 교수는 “이온은 우리 주변에 아주 흔하게 존재하지만, 배터리나 반도체 재료의 성능을 획기적으로 변화시킬 수 있는 흥미로운 입자다”며 “개발한 단일 이온 제어기술을 통해 앞으로 이온과 관련된 다양한 기초 기술 및 응용에 연구를 더욱 확장해 나아갈 계획”이라고 밝혔다. 이번 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’ 3월 16일 온라인 게재됐다. |
“전기차 천천히”…바이든·트럼프, 누가 이기든 전기차 산업 ‘울상’중국 “디리스킹도 안 돼”…EU·미국 견제에 ‘반발’中왕이 '신장 집단학살‘ 주장은 새빨간 거짓말“손흥민, 탁구선수들 건들지마!”…축구대표팀 내분 비꼰 국제탁구연맹[맵 브리핑] 저출생에 화들짝 일본이 빼든 대책은?외국기업 대중 투자 30년 만에 최저… 경기침체 우려 확대EU, 애플에 반독점법 첫 과징금EU 반독점법 위반 첫 사례 나오나…애플에 7000억원 과징금 부과 예정대만은 어차피 우리 땅‥중국, 하늘 이어 해상 경계도 무력화 시도?내수 둔화에 해외 시장 눈 돌리는 中 전기차… “해외 시장 긴장”가죽점퍼 입은 ‘이 남자’ 등장하자…1만6천명 소리지르고 난리났다는데국내외 의결권 자문사, 한미사이언스 주총 안건 두고 찬반 갈려보유세 부담 낮춘다…공시가 현실화 폐지 추진부산대 의대 교수 “25일 사직”…의대 정원 내일 발표강남3구 보유세 10% 증가… 비강남권 2023년 수준[날씨] 내일 절기 춘분, 제주 맑지만 찬바람…기온 내려가 쌀쌀보령 올 매출 1조 달성…8년내 국내 제약사 원톱 되겠다“2025년 공시부터 적용… 재산세·건보료 ‘경제적 부담’ 경감”전면전 치닫는 HD현대 vs 한화오션···8조 규모 ‘차세대 구축함’ 절친들의 승부한국 남성들 ‘띠동갑’ 외국 여성과 국제결혼 늘었다박용진, 반전 없는 패배…'경선 수난사' 마무리국내 의결권 자문사, 임종윤·종훈 측 안건에 '찬성' 권고[결혼과 이혼] SNS로 알게된 유부남 나체 사진 아내에게 유포한 여성[날씨] 내일 새벽까지 강원, 경북 비·눈…해안가 강풍[총선] 22대 국회의원 선거, 의정부·남양주·동두천 양주 연천·포천 가평 누가 뛰나?낙찰받았는데 더 살게 해달라…이사 비용까지 요구