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- 바닷물과 공기의 경계면은 놀라울 정도로 다르게 구성돼 있다.
- 일반적인 모델과 달리 소금물은 공기와의 경계면에 이온 이중층이 없다
- 소금물과 공기 사이의 경계면에는 층상 구조가 형성
- 새로 개발된 방법론은 분자 수준에서 액체 인터페이스를 보다 자세히 연구하는 데 도움

소금물은 기존의 통념과 모순된다
바닷물과 공기의 경계면은 놀라울 정도로 다르게 구성돼 있다.

모델이 잘못됐다. 바다 표면과 공기와 바닷물 사이의 기타 경계면이 예상과 다르게 구성되어 있다. 새로운 분석에 따르면 용해된 염으로부터 이온 이중층이 표면에 형성되지 않는 것으로 나타났다. 대신, 최상층 경계층은 순수한 물로 구성된다. 화학자들이 "Nature Chemistry"에서 보고한 것처럼 아래에서만 용해된 염의 이온이 발견된다. 이는 해양, 대기 및 기후에 매우 중요한 국경지대의 구조에 대한 새로운 시각을 제시한다. 

▲ 소금이 물에 용해되면 생성된 이온이 물 분자의 거동에 영향을 미친다. © Yair Litman

우리 행성의 70%는 바다로 덮여 있다. 따라서 바닷물과 공기의 접촉 면적도 넓다. 이곳에서 발생하는 가스와 에너지 교환은 해양의 화학적 성질뿐만 아니라 지구의 대기와 기후도 형성한다. 이 경계층이 정확히 무엇인지, 어떤 분자가 그곳의 교환에 영향을 미치는지 이해하는 것이 더욱 중요하다. 바닷물은 물 분자와 용해된 염분 이온의 복잡한 혼합물로 구성되어 있다는 것이 분명하다.

공통 모델: 이온의 이중층

그러나 문제는 지금까지 바닷물과 공기의 경계층이 어떻게 구성되어 있는지 부분적으로만 밝혀졌다는 점이다. 분광학 및 분자 모델 시뮬레이션을 사용한 분석은 명확한 그림을 제공하지 않는다. 일반적으로 용해된 염의 이온은 공기와의 경계면에 축적되는 것으로 가정되었다. 양전하를 띤 브롬 양이온이나 음전하를 띤 요오드 음이온과 같이 무겁고 쉽게 분극될 수 있는 이온은 일종의 덮개층을 형성한다. 반면, 나트륨이나 불소와 같이 더 가볍고 분극성이 낮은 이온은 가라앉는다.

대중적인 믿음에 따르면, 음이온과 양이온의 이러한 다양한 분포는 소위 전기 이중층(EDL), 즉 이온 이중층 구조를 생성한다고 마인츠에 있는 막스 플랑크 고분자 연구소의 Yair Litman과 그의 동료들은 설명한다. 많은 교과서에 설명돼 있는 이 경계층은 근본적으로 공기-염수 접촉 표면의 과정에 영향을 미친다. 이것이 가정이다. 그러나 최근 일부 측정 결과는 이 이중층 모델에 대한 의구심을 불러일으켰다.

▲ 바닷물과 공기 사이의 경계층에 대한 새로운 모델: 공기와의 경계에는 순수한 물층이 있고 이온은 그 아래에서만 발견된다. (파란색: Na+, 주황색: OH-) © Litman et al./Nature Chemistry, CC-by 4.0

새로운 방법으로 분자 정렬 밝혀

이것이 바로 Litman과 그의 팀이 이제 바닷물-공기 경계면에서 물 분자와 이온의 거동을 분석하는 새로운 방법을 개발한 이유다. 그들의 방법은 소위 진동 합주파수 생성(VSFG)이라는 분광학 기술을 기반으로 한다. 레이저 빔은 물 분자를 자극하여 진동하고 위치를 결정하는 데 사용된다. 그러나 용해된 염의 이온은 직접 관찰할 수 없었다.

연구를 위해 화학자들은 분광 신호의 방향을 보여주는 방법으로 VSFG 공정을 보완했다. 이 헤테로다인 감지 VSFG는 무엇보다도 물 분자가 정렬되는 방식에 대한 정보를 제공한다. Litman과 그의 동료들은 이를 사용해 10가지 다른 소금 용액의 인터페이스를 연구했다.

이온 이중층 대신 순수한 물

분석 결과 놀라운 사실이 드러났다. “우리 연구는 단순한 전해질 용액의 표면이 이전에 가정했던 것과 다른 이온 분포를 가지고 있음을 보여준다”고 Litman은 보고했다. 일반적인 모델과 달리 소금물은 공기와의 경계면에 이온 이중층이 없다. 대신, 진동 스펙트럼은 물 분자의 O-H 결합에서 발생하는 피크를 보여주었다.

즉, “공기에서 소금 용액에 들어가면 먼저 몇 겹의 순수한 물을 만나게 된다”고 Litman은 설명했다. 여기에서 물 분자는 서로 다른 방향을 갖고 있는데, 산소 쪽이 때로는 위를 향하고 때로는 아래를 향하고 있다. Litman은 “주 액체에 도달하기 전 아래에만 이온이 풍부한 층이 있다”고 말했다. 그러나 이러한 용해된 이온은 염화나트륨, 불화나트륨, 염화마그네슘 또는 황산마그네슘을 포함한 대부분의 염과 전기 이중층을 형성하지 않는다.

화학자들은 과염소산나트륨(NaClO4)을 통해서만 물 표면에서 직접 이온을 감지할 수 있었다. "이 소금은 실제로 EDL을 형성한다"고 팀은 말했다.

교과서적인 모델과 다르게

종합하면, 이러한 결과는 일반적인 이온 이중층 모델이 많은 경우에 적용되지 않음을 보여준다. 소금물과 공기 사이의 경계면에는 층상 구조가 형성된다. 그러나 대부분의 솔트 솔루션의 경우 이는 EDL과 다르게 구성된다. 이는 일반적인 교과서 설명만 조정해야 하는 것이 아니라는 것을 의미한다. 새로운 발견은 대기와 바다 사이의 경계면에서의 과정과 대기 화학을 이해하는 데에도 중요하다.

연구진은 “우리 연구에서 입증된 레이어링과 물-이온 상호작용은 물-공기 경계의 수수께끼와 이 유비쿼터스 접촉 표면의 화학적 반응성에 대한 중요한 통찰력을 제공한다”고 화학자들은 말했다. 또한, 이번 결과와 새로 개발된 방법론은 분자 수준에서 액체 인터페이스를 보다 자세히 연구하는 데 도움이 될 수 있다.
(Nature Chemistry, 2024; doi: 10.1038/s41557-023-01416-6)
출처: Max-Planck-Institut für Polymerforschung /막스 플랑크 고분자연구소

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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