고려대, 세계 최초 극저온에서 물 분자나노 클러스터 형성 과정 밝혀내

▲ 제작된 플라즈모닉 나노칩의 전자주사현미경 이미지와 나노칩 기반 플라즈모닉 검출 시스템을 이용해 저온에서H2O상태를 측정한 이미지

고려대학교(총장 김동원) 화공생명공학과 안동준 교수와 KU-KIST 융합대학원 김명기 교수 공동 연구팀이 세계 최초로 나노미터 크기의 물(H2O) 분자 거동을 실시간으로 관찰해, 저온에서 고밀도 물 분자 나노 클러스터 형성 규명에 성공했다. 

본 연구 결과는 국제적인 학술지 ‘Small Science’(IF: 11.1)에 지난 24일(목) 온라인 게재됐다. 

* 논문명: Plasmonic Observation of High-Density Nanoclustering in Low-Temperature H2O

* 논문 URL:  https://doi.org/10.1002/smsc.202400427

물은 모든 생명에게 필수적인 물질이며, 다양한 환경에서 독특한 성질을 발휘한다. 특히 저온에서 물 분자의 행동과 상전이 메커니즘은 오늘날 동결 방지 기술과 극저온 물리학에서 매우 중요한 연구 주제이다. 기존 연구는 저온에서 물 분자가 결정 구조를 형성해 특이 상전이 현상이 일어나는 것은 증명했으나, 나노미터 수준에서의 실시간 관찰은 기술적 한계로 이루어지지 않아 중요한 과제로 남아있다. 

이에 공동 연구팀은 세계 최초로 극저온에서 첨단 플라즈모닉 센서를 활용해 영하 77K에서 급속 냉각된 얇은 얼음층에서 발생하는 나노미터 크기의 밀도 변화를 관찰했다. 연구팀은 138서 268K 범위에서의 반응 현상을 실시간으로 관찰해 물 분자 상변이 메커니즘과 얼음 결정 구조 간의 상호작용을 명확히 증명했다. 

이번 연구는 극한 저온 환경에서 물 분자의 변동을 이해하는 데 중요한 통찰을 제공해 냉동, 동결 보존 기술 외에도 에너지 사업 등 다양한 산업 분야에서 효율성 향상과 새로운 응용 가능성을 제시했다. 

연구를 주도한 김명기 교수는 “기존 연구와 달리 플라즈모닉 나노칩 센서를 활용한 실시간 관찰 기술로 물 분자 고밀도 클러스터 형성 과정을 명확히 포착할 수 있었다”라고 말하며 “본 연구 결과가 동결 기술 및 물 에너지 효율성 증대에 큰 도움이 될 것”이라고 기대감을 밝혔다. 

본 연구는 한국연구재단 미래소재디스커버리사업, 중견연구자지원사업, KU-KIST School 운영 사업의 지원을 받아 수행됐다. 

[첨부] 

[그림 1] 

[그림 1] 설명: (왼쪽부터) 안동준 교수(교신저자), 김명기 교수(교신저자), 박누리 박사(공동 제1저자), 이예담 박사과정(공동 제1저자), 이상엽 박사(공동 제1저자)

[그림 2] 

[그림 2] 설명: 본 연구에서는 나노칩 기반 플라즈모닉 검출 시스템을 사용해 저온에서 H2O의 나노스케일 거동을 실시간으로 관찰함. 77K에서 형성된 얇은 얼음층이 180-250K 사이에서 고밀도 H2O 분자 클러스터를 형성하는 현상이 최초로 관찰됨

[그림 3] 

[그림 3] 설명: 77K에서 형성된 얇은 얼음층이 180-250K 사이에서 고밀도 H2O나노클러스터 형성을 보여주는 플라즈모닉 반응 결과