[조민행 교수] 전압 따라 달라지는 물 분자, 펨토초 단위로 첫 포착
기초과학연구원(IBS)은 조민행 분자분광학및동력학연구단 단장 연구팀이 마틴 자니 미국 위스콘신 화학과 교수 연구팀과 공동 연구를 진행해 전압 변화에 따라 금속 전극 표면의 물 분자가 어떻게 움직이는지 펨토초(1000조 분의 1초) 단위로 관찰하는 데 성공했다고 20일 밝혔다.
전압에 따라 달라지는 물 분자 움직임을 관찰하는 일은 전기화학적 반응에 대한 이해를 높이고, 차세대 수전해질 전지 개발을 하는 데 중요하다. 수전해질 전지는 물을 용매로 사용하는 리튬이온전지로, 물을 사용해 인화성이 낮고 폭발 위험이 없으며 유독한 화학물질 등으로 인한 환경오염 위험도 낮출 수 있다.
수전해질 전지가 갖는 이러한 장점 때문에 최근에는 전극 표면에 존재하는 물 분자들의 움직임과 전하 운반체 역할을 하는 이온 용매화 에너지 변화, 이온 탈용매화 현상, 산화-환원 반응을 살피기 위한 분광학적 연구가 진행되고 있다.
하지만 이런 방법으로는 전극 표면에 극소량 존재하는 물 분자들을 직접 관찰하기 어렵다. 크기가 매우 작은 분자들을 관찰하기 위해 짧은 레이저 광선을 조사한 뒤 분자들이 만들어내는 시그널을 시간에 따라 관찰하는 시분해 분광법이 널리 활용되고 있지만 물 분자에 의한 신호보다 금속 전극 자체가 만들어내는 신호가 훨씬 커 물 분자 움직임만 측정하기 어렵다.
연구팀은 금 전극 표면에 정교하게 설계한 화합물을 흡착시켰다. 탐침 분자에 대한 2차원 진동 분광학 측정과 분자 동력학 시뮬레이션을 시행했다. 2차 진동 분광학은 연구 대상 물질에 짧은 레이저 빛을 가한 후 시간에 따라 변화하는 2차원 신호를 분석해 분자의 구조와 움직임을 탐지하는 방법이고, 분자 동력한 시뮬레이션은 물질을 이루는 원자 움직임에 대한 운동방정식을 풀어 원자와 분자 움직임을 예측하는 방법이다.
연구팀은 이 두 가지 방법을 접목해 물 분자와 금속 표면에 흡착된 유기분자 간의 상호작용인 ‘수소결합’의 구조와 물 분자 움직임을 실시간으로 관찰했다. 이를 통해 전극에 가하는 전압 크기와 부호에 따라 물 분자 움직임이 달라진다는 현상을 처음으로 직접 확인했다. 양의 전압을 가하면 물 분자 움직임이 느려지고, 음의 전압에서는 빨라지는 것을 확인했다. 빨라지는 정도는 전압의 크기에 비례했다. 연구팀은 “이 결과는 전극 표면에 존재하는 물의 산화 환원 반응 역시 물 분자 움직임과 밀접한 관계가 있을 수 있다는 의미”라고 설명했다.
조 단장은 “전기화학반응을 이해하는데 중요한 정보를 제공한 연구 결과”라며 “향후 수전해질을 이용한 배터리 개발과 응용에 필요한 물리화학적인 통찰을 제시했다”고 말했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘미국국립과학원회보’에 게재될 예정이다.
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