IBS, '합-주파수 생성 분광법'기술이용 물분자 수소결합 구조 최초 관측

그래핀 4층까지 쌓으면 수소결합 하지 않는 물 분자 생겨

[대전=뉴시스] 합-주파수 생성 분광법을 이용해 얻은 그래핀-물 계면에서 물 분자의 수소결합 구조. *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 두께에 따라 물성이 달라지는 그래핀의 특성을 분자 수준에서 관찰하는데 성공했다.

기초과학연구원(IBS)은 조민행 분자 분광학 및 동력학 연구단장(고려대 화학과 교수) 연구팀이 그래핀의 두께에 따른 습윤 특성 변화를 분자 수준에서 처음으로 규명했다고 12일 밝혔다.

타 증착물질들과는 달리 그래핀의 습윤성은 함께 사용되는 기판의 종류에 따라 다르게 나타난다.
 
기판의 습윤성이 얇은 그래핀을 투과해 표면으로 전달되기 때문으로 알려졌지만 메커니즘은 아직 명확히 밝혀지지 않았고 또 그래핀이 친수성 물질인지, 소수성 물질인지도 알 수 없다.

지금까지 주로 그래핀 위에 물 한 방울을 떨어뜨리고 그 모양을 통해 습윤성을 파악하는 방식이 활용됐지만 이는 그래핀 표면의 대략적 특성만 파악할 뿐 그래핀과 물의 계면에서 일어나는 현상을 분자 수준에서 면밀히 측정키 어렵다.
 
이번 연구서 IBS 연구진은 '합-주파수 생성 분광법'이라는 기술을 이용하면 그래핀-물 계면에 위치한 물 분자의 수소결합 구조만 선택적으로 관측한다는 사실을 발견했다.
 
연구진은 플루오린화칼슘(CaF2) 기판 위에 그래핀을 한 층씩 차례로 증착하면서 합-주파수 생성 분광법을 통해 계면 물 분자의 진동을 관측, 그래핀 층수에 따른 물 분자의 수소결합 구조변화를 분석했다.

이를 통해 그래핀의 층수가 증가하면 수소결합을 많이 하는 물 분자의 개수는 감소하고, 적은 수소결합을 하는 물 분자의 개수는 증가한다는 사실과 그래핀을 4층까지 쌓으면 소수성 계면에서만 나타나는 수소결합을 하지 않는 물 분자가 생겨난다는 것을 발견했다.

이번 연구결과는 셀(Cell)의 화학분야 자매지인 켐(Chem·IF 19.735) 온라인판에 지난 10일자로 게재됐다.(논문명: Wettability of Graphene and Interfacial Water Structure)

제1저자인 김은찬 연구원은 "합-주파수 생성 분광법을 이용해 기판의 친수성을 나타내는 접착에너지를 얻었고 그 결과가 기존 물 접촉각 측정을 통해 얻어낸 접착에너지와 일치한다는 것을 확인했다"며 "합-주파수 생성 분광법이 그래핀과 같은 2차원 기능성 물질의 성질 규명에 중요한 도구가 될 수 있음을 보여준 것"이라고 설명했다.

조민행 단장은 "그래핀의 층수가 증가하면 계면의 소수성이 증가하는 것을 분자적인 수준에서 설명한 첫 번째 사례"라면서 "그래핀이 물에서 활용될 경우 계면의 소수성이 효율성을 결정하는 핵심 요소인 만큼 이번 연구가 최적의 그래핀 설계를 위한 아이디어를 제시할 것으로 기대한다"고 말했다.

조민행 연구단장, 곽경원 연구위원, 김은찬 연구원, 김동환 연구원

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