2차원 물은 혼돈적인 성질을 지닌다.
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2026-07-15 21:42:07
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- 맨체스터 대학교 연구진은 이번 연구를 통해 2차원 물의 특성을 밝혀냈다.
- 일반인 물:모든 분자가 모든 방향으로 수소결합을 끊임없이 형성하는 네트워크 구조
- 적외선 미세 탐침 이용, 3차원에서 2차원으로의 물의 전이를 직접 감지한 것은 처음
- 결합이 끊어졌어도, 단층수는 예상외로 밀도 높고 벌크 물이나 단순한 표면수와는 구조적으로 다르다
영국 맨체스터. 물리학자들은 물이 단순한 구성에도 불구하고 자연 및 기술 분야에 영향을 미치는 놀라운 성질을 지니고 있다는 점에서 오랫동안 물을 연구해 왔다. 예를 들어, 최근에는 영하 63도에서 두 가지 극저온 물의 밀도가 서로 융합되는 또 다른 임계점이 발견되었다. 물의 성질과 행동에 대한 더 나은 이해는 미래에 혁신적인 나노기술 개발과 인체 세포 내 과정에 대한 더 깊은 이해에 도움이 될 것이다.
맨체스터 대학교 연구진은 이번 연구를 통해 2차원 물의 특성을 밝혀냈다. 라다 보야 교수 연구팀은 물 분자 한 층만 들어갈 수 있을 정도로 좁은 초박형 채널에 물을 가두었다. 이를 통해 연구팀은 최초로 2차원 물 분자의 특징적인 진동 신호를 직접 측정하고, 이러한 극단적인 공간적 제약하에서 수소 결합이 어떻게 변화하는지 관찰할 수 있었다.
2차원 물 분자의 재구성
연구진은 흑연과 육각형 질화붕소(hBN)를 포함한 2차원 물질로 옹스트롬 크기의 슬롯 채널을 제작했다. 이 구조 내에서 흑연은 높은 반사율을 제공하고, hBN은 도파관 역할을 한다. 이 두 물질은 함께 초박형 물 분자층의 적외선 흡수 신호를 증폭시킨다.
다이아몬드 라이트 소스(Diamond Light Source)의 MIRIAM 빔라인 B22에 있는 초고강도 싱크로트론 적외선 마이크로빔을 사용하여 연구진은 2차원 물 분자의 진동 모드를 측정할 수 있었다. 그들은 물의 여러 가지 알려진 특성을 결정하는 수소 결합이 2차원 물 분자 내에서 재배열되는 것을 관찰했다.
"일반적인 물은 각 분자가 모든 방향으로 끊임없이 수소 결합을 형성하고 끊는 3차원 네트워크로 생각할 수 있다. 물을 단일 층으로 압축하면 이러한 네트워크는 더 유지될 수 없다. 우리는 처음으로 이러한 극단적인 극한 상황에서 수소 결합이 어떻게 재배열되는지 직접 관찰할 수 있었다”고 라다 보야(Radha Boya) 교수는 말했다.
물 분자 내 O-H 결합의 신축 진동
연구진은 적외선 분광법이 물 분자 내 O-H 결합의 신축 진동에 매우 민감하다고 설명한다. 따라서 연구팀은 높이가 다른 채널에 물 분자를 배치하여 물 층이 점차 얇아져 최종적으로 2차원 구조가 될 때까지 진동 주파수가 어떻게 변하는지 비교했다. 실험 결과, 적외선 흡수 스펙트럼이 점점 더 높은 주파수 영역으로 이동하는 것을 확인할 수 있었다.
지안펠리체 친퀘(Dr. Gianfelice Cinque)는 "빔라인 B22에서 물 단일층의 진동 특성을 측정할 수 있었다는 점이 가장 흥미로웠다. 우리가 아는 한, 적외선 미세 탐침을 이용해 3차원에서 2차원으로의 물의 전이를 직접 감지한 것은 이번이 처음이다. 청색 편이는 수소 결합 네트워크가 일반적인 물에 비해 파괴되었음을 분명히 보여주는 증거다"고 말했다.
보야에 따르면, 이번 실험은 2차원 물이 일반적인 액체 물의 극히 얕은 형태가 아니라, 약하게 결합된 분자나 자유 분자로 둘러싸인 작은 수소 결합 클러스터들이 모자이크처럼 얽혀 있는 구조임을 보여준다. 따라서 이번 연구는 단층수에 대한 오랜 이론을 최초로 실험적으로 입증한 것이다.
단층수의 극한 사례
보야 연구팀은 관찰된 현상이 단층수에서만 나타나는 극한 사례임을 발견했다. 높이가 1나노미터(약 3개의 분자층으로 이루어진 층)를 조금 넘는 채널 안의 물은 이미 벌크 물과 유사한 진동 특성을 보인다. 이러한 채널 안에는 보다 일반적인 수소 결합 네트워크가 존재한다. 롤랜드 네츠 교수(Prof. Roland Netz)는 "결합이 끊어졌음에도 불구하고, 단층수는 예상외로 밀도가 높고 벌크 물이나 단순한 표면수와는 구조적으로 다르다"고 말했다.
연구진에 따르면, 이번 연구 결과는 다른 2차원 액체에 대한 향후 분석의 기준점이 될 수 있다. 또한, 나노유체 회로, 선택적 막, 다양한 전기화학 및 에너지 기술 부품 등에서 잠재적인 기술적 응용 가능성을 보고 있는데, 이러한 분야에서는 단층막 형태의 물이 계면의 거동에 영향을 미친다.
마르코스 마르틴스 박사(Dr. Marcos Martins)는 "이러한 규모로 갇힌 물은 나노유체 장치부터 생체 채널 및 에너지 기술에 이르기까지 모든 분야에서 중요한 역할을 한다. 단층막이라는 극한의 경우에 물의 구조가 어떻게 변하는지 직접적으로 실험적으로 관찰함으로써 이러한 시스템을 지배하는 물리적 법칙을 이해하는 데 도움이 된다"고 말했다.
출처:
Studie im Fachmagazin Nature Communications, doi: 10.1038/s41467-026-72629-9
- 맨체스터 대학교 연구진은 이번 연구를 통해 2차원 물의 특성을 밝혀냈다.
- 일반인 물:모든 분자가 모든 방향으로 수소결합을 끊임없이 형성하는 네트워크 구조
- 적외선 미세 탐침 이용, 3차원에서 2차원으로의 물의 전이를 직접 감지한 것은 처음
- 결합이 끊어졌어도, 단층수는 예상외로 밀도 높고 벌크 물이나 단순한 표면수와는 구조적으로 다르다
2차원 물은 혼돈적인 성질을 지닌다.
O-H 결합의 신축 진동
일반적인 물은 모든 분자가 모든 방향으로 수소 결합을 끊임없이 형성하는 네트워크 구조를 가지고 있다. 그런데 이번 연구에서 처음으로 2차원 물에서는 수소 결합이 끊어진다는 사실이 실험적으로 입증되었다. 이는 단층 물이 혼돈적인 성질을 지닌다는 오랜 이론을 뒷받침하는 결과다.
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| ▲ 반데르발스 이종구조의 물에 대한 적외선 분석 © University of Manchester |
영국 맨체스터. 물리학자들은 물이 단순한 구성에도 불구하고 자연 및 기술 분야에 영향을 미치는 놀라운 성질을 지니고 있다는 점에서 오랫동안 물을 연구해 왔다. 예를 들어, 최근에는 영하 63도에서 두 가지 극저온 물의 밀도가 서로 융합되는 또 다른 임계점이 발견되었다. 물의 성질과 행동에 대한 더 나은 이해는 미래에 혁신적인 나노기술 개발과 인체 세포 내 과정에 대한 더 깊은 이해에 도움이 될 것이다.
맨체스터 대학교 연구진은 이번 연구를 통해 2차원 물의 특성을 밝혀냈다. 라다 보야 교수 연구팀은 물 분자 한 층만 들어갈 수 있을 정도로 좁은 초박형 채널에 물을 가두었다. 이를 통해 연구팀은 최초로 2차원 물 분자의 특징적인 진동 신호를 직접 측정하고, 이러한 극단적인 공간적 제약하에서 수소 결합이 어떻게 변화하는지 관찰할 수 있었다.
2차원 물 분자의 재구성
연구진은 흑연과 육각형 질화붕소(hBN)를 포함한 2차원 물질로 옹스트롬 크기의 슬롯 채널을 제작했다. 이 구조 내에서 흑연은 높은 반사율을 제공하고, hBN은 도파관 역할을 한다. 이 두 물질은 함께 초박형 물 분자층의 적외선 흡수 신호를 증폭시킨다.
다이아몬드 라이트 소스(Diamond Light Source)의 MIRIAM 빔라인 B22에 있는 초고강도 싱크로트론 적외선 마이크로빔을 사용하여 연구진은 2차원 물 분자의 진동 모드를 측정할 수 있었다. 그들은 물의 여러 가지 알려진 특성을 결정하는 수소 결합이 2차원 물 분자 내에서 재배열되는 것을 관찰했다.
"일반적인 물은 각 분자가 모든 방향으로 끊임없이 수소 결합을 형성하고 끊는 3차원 네트워크로 생각할 수 있다. 물을 단일 층으로 압축하면 이러한 네트워크는 더 유지될 수 없다. 우리는 처음으로 이러한 극단적인 극한 상황에서 수소 결합이 어떻게 재배열되는지 직접 관찰할 수 있었다”고 라다 보야(Radha Boya) 교수는 말했다.
물 분자 내 O-H 결합의 신축 진동
연구진은 적외선 분광법이 물 분자 내 O-H 결합의 신축 진동에 매우 민감하다고 설명한다. 따라서 연구팀은 높이가 다른 채널에 물 분자를 배치하여 물 층이 점차 얇아져 최종적으로 2차원 구조가 될 때까지 진동 주파수가 어떻게 변하는지 비교했다. 실험 결과, 적외선 흡수 스펙트럼이 점점 더 높은 주파수 영역으로 이동하는 것을 확인할 수 있었다.
지안펠리체 친퀘(Dr. Gianfelice Cinque)는 "빔라인 B22에서 물 단일층의 진동 특성을 측정할 수 있었다는 점이 가장 흥미로웠다. 우리가 아는 한, 적외선 미세 탐침을 이용해 3차원에서 2차원으로의 물의 전이를 직접 감지한 것은 이번이 처음이다. 청색 편이는 수소 결합 네트워크가 일반적인 물에 비해 파괴되었음을 분명히 보여주는 증거다"고 말했다.
보야에 따르면, 이번 실험은 2차원 물이 일반적인 액체 물의 극히 얕은 형태가 아니라, 약하게 결합된 분자나 자유 분자로 둘러싸인 작은 수소 결합 클러스터들이 모자이크처럼 얽혀 있는 구조임을 보여준다. 따라서 이번 연구는 단층수에 대한 오랜 이론을 최초로 실험적으로 입증한 것이다.
단층수의 극한 사례
보야 연구팀은 관찰된 현상이 단층수에서만 나타나는 극한 사례임을 발견했다. 높이가 1나노미터(약 3개의 분자층으로 이루어진 층)를 조금 넘는 채널 안의 물은 이미 벌크 물과 유사한 진동 특성을 보인다. 이러한 채널 안에는 보다 일반적인 수소 결합 네트워크가 존재한다. 롤랜드 네츠 교수(Prof. Roland Netz)는 "결합이 끊어졌음에도 불구하고, 단층수는 예상외로 밀도가 높고 벌크 물이나 단순한 표면수와는 구조적으로 다르다"고 말했다.
연구진에 따르면, 이번 연구 결과는 다른 2차원 액체에 대한 향후 분석의 기준점이 될 수 있다. 또한, 나노유체 회로, 선택적 막, 다양한 전기화학 및 에너지 기술 부품 등에서 잠재적인 기술적 응용 가능성을 보고 있는데, 이러한 분야에서는 단층막 형태의 물이 계면의 거동에 영향을 미친다.
마르코스 마르틴스 박사(Dr. Marcos Martins)는 "이러한 규모로 갇힌 물은 나노유체 장치부터 생체 채널 및 에너지 기술에 이르기까지 모든 분야에서 중요한 역할을 한다. 단층막이라는 극한의 경우에 물의 구조가 어떻게 변하는지 직접적으로 실험적으로 관찰함으로써 이러한 시스템을 지배하는 물리적 법칙을 이해하는 데 도움이 된다"고 말했다.
출처:
Studie im Fachmagazin Nature Communications, doi: 10.1038/s41467-026-72629-9
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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