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

[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.


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