물에 두 가지 밀도가 있다고?
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2024-02-22 11:32:51
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- 2017년에 물리학자들, X-선 분광 곡선에 두 개의 피크가 나타나는 것 관찰
- 이중 피크가 서로 다른 밀도 변형인지 동일한 물 분자의 두 연속 상태인지 불분명
- 처음으로 물 분자의 거동을 아토초 범위까지 분석
- 이전에 가정했던 것과 달리 액체 물에는 두 가지 밀도 변형이 없다는 것 암시
물은 신비할 만큼 어디에나 존재한다. 왜냐하면 밀도 이상, 자기 해리, 높은 열용량, 액체 물 속의 분자의 "덩어리" 분포 등 거의 70가지의 특이한 특성을 갖고 있기 때문이다. 18가지의 서로 다른 결정체와 여러 가지 비정질 얼음 변종을 형성하는 물 분자의 능력 또한 물을 정말 이색적으로 만든다. 무정형 빙수에서 분자는 유리처럼 무질서하지만, 여전히 고체인 화합물을 형성한다. 이는 다양한 밀도 변형으로 제공된다.
두 가지 액체가 하나로?
그것이 전부가 아닙니다. 2017년에 물리학자들은 천천히 녹는 무정형 얼음 샘플에 대한 X선 분석 중에 훨씬 더 놀라운 것을 발견했다. X-선 분광 곡선에 두 개의 피크가 나타나는 것은 액체 물에도 두 가지 밀도 변형이 존재함을 나타내는 것 같았다. 결론은 물은 화학적으로 동일한 두 액체와 두 가지 다른 구조 변형의 혼합물일 수 있다는 것이다.
그러나 문제는 분석에 사용된 X선 방출 분광법(XES)이 수 펨토초의 시간적 분해능으로 물 분자의 거동만 묘사할 수 있다는 것이다. 이로 인해 1b1으로 알려진 이 이중 피크가 실제로 서로 다른 밀도 변형을 나타내는지 아니면 단순히 동일한 물 분자의 두 연속 상태를 나타내는지가 불분명해졌다.
아토초 주기 측정
이제 새로운 방법이 더 많은 정보를 제공하고 있으며, 이를 통해 처음으로 물 분자의 거동을 아토초 범위까지 분석할 수 있다. 이를 통해 분자 내의 전자와 원자가 들뜰 때 겪는 급격한 변화를 시각화할 수 있다. 미국 아르곤 국립 연구소(Argonne National Laboratory)의 수석 저자 Linda Young과 동료들은 "우리는 응축상-액체 수 시스템에서 최초의 아토초 펄스/아토초 측정 시스템을 시연한다"고 말했다.
이것의 특별한 점은 이러한 측정에서 물 분자의 에너지 여기를 위해 사용되는 X선 펄스와 변화의 분광 기록을 위한 측정 펄스가 모두 아토초 범위에 있다는 것이다. Young은 “우리는 전자의 움직임과 이온화된 분자의 형성을 거의 실시간으로 추적할 수 있는 도구를 가지고 있다”고 말했다.
측정을 위해 Young과 첫 번째 저자인 Shuai Li가 이끄는 팀은 캘리포니아의 SLAC 국립 가속기 연구소에서 X선 레이저 LCLS를 사용했다. 이는 아토초 펄스를 생성할 수 있는 세계에서 몇 안 되는 강력한 X선 소스 중 하나다. 연구팀은 매우 얇은 물막에 펄스를 가했다.
구조적 변형 대신 이동 효과
측정 결과는 다음과 같다.
초기 X선 측정의 분광학 곡선에서 눈에 띄는 이중 피크는 가정된 것과 다른 원인을 가지고 있다. Young은 “이전 실험에서 사람들이 본 것은 수소 원자의 움직임으로 인해 발생한 흐릿함이었다”며 "원자들이 움직이기 시작하기 전에 측정이 완료되었기 때문에 우리는 이 움직임을 제거할 수 있었다"고 설명했다.
따라서 고에너지 X선 펄스가 도달하면 물 분자에 있는 산소 원자의 외부 껍질에서 전자가 방출된다. 그런 다음 이것은 물을 통과하여 다른 분자의 전자와 충돌하며, 그중 일부는 원자 궤도에서도 방출된다. "전체 과정은 먼저 광자에 의한 다음, 방출된 전자에 의한 일련의 이온화 단계로 볼 수 있다"고 과학자들은 설명했다.
그러나 이 과정 이전과 도중에 물 분자가 서로 다른 구조적 변형을 가지고 있음을 나타내는 것은 없다. Young과 그녀의 팀은 “실험 데이터에서는 1b1 이중 구조의 증거가 전혀 나타나지 않았다”고 말했다.
물의 이중 성질에 대한 징후는 없다.
연구원들에 따르면, 이는 이전에 가정했던 것과 달리 액체 물에는 두 가지 밀도 변형이 없다는 것을 암시한다. "따라서 우리의 결과는 1b1 X-선 방출 피크 쌍의 해석에 대한 오랜 논쟁을 명확하게 한다"고 Young과 그녀의 동료들은 썼다. 따라서 이 이중 피크는 들뜬 상태의 초고속 수소 역학의 결과이지만 물의 구조적 변화를 나타내는 것은 아니다.
비정질 얼음과 달리 실온의 액체 물은 두 가지 다른 밀도 구성을 갖지 않는 것으로 보인다. 그리고 만약 그러한 구조적 변형이 존재한다면 적어도 이 이중 피크에는 나타나지 않을 것이라고 팀은 말했다. 그러나 훨씬 더 중요한 것은 실험에 사용된 기술이 방사선에 대한 분자의 반응에 대한 다른 질문도 명확하게 할 수 있다는 것이다.
Young은 “우리가 개발한 방법론을 사용하면 암 치료, 우주 비행 중 또는 원자로의 방사선 및 핵폐기물을 통한 방사선 관련 과정을 통해 반응성 분자의 형성 및 발달을 연구할 수 있다”고 말했다.
(Science, 2024; doi: 10.1126/science.adn6059)
출처: DOE/Pacific Northwest National Laboratory
- 2017년에 물리학자들, X-선 분광 곡선에 두 개의 피크가 나타나는 것 관찰
- 이중 피크가 서로 다른 밀도 변형인지 동일한 물 분자의 두 연속 상태인지 불분명
- 처음으로 물 분자의 거동을 아토초 범위까지 분석
- 이전에 가정했던 것과 달리 액체 물에는 두 가지 밀도 변형이 없다는 것 암시
물에 두 가지 밀도가 있다고? 물의 이중 성질에 대한 징후 없다!
물 분자에 대한 최초의 아토초 관찰은 "두 액체의 혼합물"을 반증한다.
이중 특성 없음:
연구원들은 처음으로 아토초 속도로 들뜬 물 분자의 거동을 관찰했다. 이는 액체 물이 아마도 밀도가 다른 두 가지 구조적 변형의 혼합물로 구성되어 있지 않다는 것을 보여주었다. 이에 대한 가정된 증거(분광 X선 곡선의 이중 피크)는 팀이 "Science"에 보고한 바와 같이 새로운 더 높은 시간 분해능 측정에서 수소 원자의 일종의 모션 블러로 밝혀졌다.
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| ▲ 연구원들이 처음으로 매 아토초마다 X선 펄스에 대한 물의 반응을 측정했다. 첫 번째 아토초 펄스(빨간색)는 물 분자의 전자를 여기시키고, 두 번째 펄스(녹색)는 촉발된 변화를 보여준다. © Stacy Huang |
물은 신비할 만큼 어디에나 존재한다. 왜냐하면 밀도 이상, 자기 해리, 높은 열용량, 액체 물 속의 분자의 "덩어리" 분포 등 거의 70가지의 특이한 특성을 갖고 있기 때문이다. 18가지의 서로 다른 결정체와 여러 가지 비정질 얼음 변종을 형성하는 물 분자의 능력 또한 물을 정말 이색적으로 만든다. 무정형 빙수에서 분자는 유리처럼 무질서하지만, 여전히 고체인 화합물을 형성한다. 이는 다양한 밀도 변형으로 제공된다.
두 가지 액체가 하나로?
그것이 전부가 아닙니다. 2017년에 물리학자들은 천천히 녹는 무정형 얼음 샘플에 대한 X선 분석 중에 훨씬 더 놀라운 것을 발견했다. X-선 분광 곡선에 두 개의 피크가 나타나는 것은 액체 물에도 두 가지 밀도 변형이 존재함을 나타내는 것 같았다. 결론은 물은 화학적으로 동일한 두 액체와 두 가지 다른 구조 변형의 혼합물일 수 있다는 것이다.
그러나 문제는 분석에 사용된 X선 방출 분광법(XES)이 수 펨토초의 시간적 분해능으로 물 분자의 거동만 묘사할 수 있다는 것이다. 이로 인해 1b1으로 알려진 이 이중 피크가 실제로 서로 다른 밀도 변형을 나타내는지 아니면 단순히 동일한 물 분자의 두 연속 상태를 나타내는지가 불분명해졌다.
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| ▲ 2017년 X선 분석에서는 액체 물이 두 가지 밀도 변형으로 존재할 수도 있음을 시사했다. © Gesine Born/DESY |
아토초 주기 측정
이제 새로운 방법이 더 많은 정보를 제공하고 있으며, 이를 통해 처음으로 물 분자의 거동을 아토초 범위까지 분석할 수 있다. 이를 통해 분자 내의 전자와 원자가 들뜰 때 겪는 급격한 변화를 시각화할 수 있다. 미국 아르곤 국립 연구소(Argonne National Laboratory)의 수석 저자 Linda Young과 동료들은 "우리는 응축상-액체 수 시스템에서 최초의 아토초 펄스/아토초 측정 시스템을 시연한다"고 말했다.
이것의 특별한 점은 이러한 측정에서 물 분자의 에너지 여기를 위해 사용되는 X선 펄스와 변화의 분광 기록을 위한 측정 펄스가 모두 아토초 범위에 있다는 것이다. Young은 “우리는 전자의 움직임과 이온화된 분자의 형성을 거의 실시간으로 추적할 수 있는 도구를 가지고 있다”고 말했다.
측정을 위해 Young과 첫 번째 저자인 Shuai Li가 이끄는 팀은 캘리포니아의 SLAC 국립 가속기 연구소에서 X선 레이저 LCLS를 사용했다. 이는 아토초 펄스를 생성할 수 있는 세계에서 몇 안 되는 강력한 X선 소스 중 하나다. 연구팀은 매우 얇은 물막에 펄스를 가했다.
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| ▲ 아토초 측정을 위해 연구원들은 이 초박형 워터 제트를 빠른 X선 펄스에 노출했다. © Emily Nienhuis/ Pacific Northwest National Laboratory |
구조적 변형 대신 이동 효과
측정 결과는 다음과 같다.
초기 X선 측정의 분광학 곡선에서 눈에 띄는 이중 피크는 가정된 것과 다른 원인을 가지고 있다. Young은 “이전 실험에서 사람들이 본 것은 수소 원자의 움직임으로 인해 발생한 흐릿함이었다”며 "원자들이 움직이기 시작하기 전에 측정이 완료되었기 때문에 우리는 이 움직임을 제거할 수 있었다"고 설명했다.
따라서 고에너지 X선 펄스가 도달하면 물 분자에 있는 산소 원자의 외부 껍질에서 전자가 방출된다. 그런 다음 이것은 물을 통과하여 다른 분자의 전자와 충돌하며, 그중 일부는 원자 궤도에서도 방출된다. "전체 과정은 먼저 광자에 의한 다음, 방출된 전자에 의한 일련의 이온화 단계로 볼 수 있다"고 과학자들은 설명했다.
그러나 이 과정 이전과 도중에 물 분자가 서로 다른 구조적 변형을 가지고 있음을 나타내는 것은 없다. Young과 그녀의 팀은 “실험 데이터에서는 1b1 이중 구조의 증거가 전혀 나타나지 않았다”고 말했다.
물의 이중 성질에 대한 징후는 없다.
연구원들에 따르면, 이는 이전에 가정했던 것과 달리 액체 물에는 두 가지 밀도 변형이 없다는 것을 암시한다. "따라서 우리의 결과는 1b1 X-선 방출 피크 쌍의 해석에 대한 오랜 논쟁을 명확하게 한다"고 Young과 그녀의 동료들은 썼다. 따라서 이 이중 피크는 들뜬 상태의 초고속 수소 역학의 결과이지만 물의 구조적 변화를 나타내는 것은 아니다.
비정질 얼음과 달리 실온의 액체 물은 두 가지 다른 밀도 구성을 갖지 않는 것으로 보인다. 그리고 만약 그러한 구조적 변형이 존재한다면 적어도 이 이중 피크에는 나타나지 않을 것이라고 팀은 말했다. 그러나 훨씬 더 중요한 것은 실험에 사용된 기술이 방사선에 대한 분자의 반응에 대한 다른 질문도 명확하게 할 수 있다는 것이다.
Young은 “우리가 개발한 방법론을 사용하면 암 치료, 우주 비행 중 또는 원자로의 방사선 및 핵폐기물을 통한 방사선 관련 과정을 통해 반응성 분자의 형성 및 발달을 연구할 수 있다”고 말했다.
(Science, 2024; doi: 10.1126/science.adn6059)
출처: DOE/Pacific Northwest National Laboratory
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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