나노기술 및 정책 정보

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도쿄(東京)대학 대학원 신영역창성과학연구과 연구그룹이 얼음 결정의 표면 구조를 원자 수준에서 관찰하는 데 성공함. 성층권 구름에 포함된 얼음 표면의 경우 오존층의 파괴로 이어지는 화학 반응이 일어나는 등, 얼음 표면에서는 다양한 물리·화학 현상이 일어남. 이러한 현상을 규명하기 위해서는 표면 구조를 아는 것이 중요하며 다양한 방법으로 연구되어 왔음. 연구진은 표면의 원자 하나하나를 관찰할 수 있는 원자힘현미경(Atomic Force Microscope, AFM)을 이용하여 얼음 표면의 요철을 원자 수준에서 관찰함. 높은 공간 분해능을 갖는 AFM을 이용하여 금속 기판 위에 성장시킨 얼음 표면을 –190 ℃에서 관찰한 결과, 1nm 이하의 매우 좁은 간격으로 밀집된 개별 원자를 식별할 수 있는 고분해능 이미지를 얻음. 결정 내부와 달리 표면에는 인접한 물 분자의 수가 감소하기 때문에 물 분자를 구성하는 수소 원자의 일부는 수소 결합에 관계없이 표면에 돌출되는 상태가 됨. 이 돌출된 수소 원자 하나하나가 AFM 상의 점으로 보여짐. 본 연구 결과를 통해 얼음의 표면은 결정 내부에서 예상되는 규칙적 구조가 아니라 물 분자의 위치가 어긋나 흐트러진 구조인 것이 밝혀짐. 본 연구를 통해 얼음 표면의 원자 수준의 구조가 규명됨으로써, 향후 얼음 표면에서의 화학 반응의 반응 경로의 연구 등 얼음 표면에서 일어나는 다양한 물리·화학 현상에 대한 연구가 이루어질 것으로 기대됨.

본 연구 성과는 ‘Science Advances’ (“Intrinsic Reconstruction of Ice-I Surfaces”) 지에 게재됨.