고려대 연구팀, 저온에서 고밀도 물 분자
나노클러스터 형성 최초 규명
국제 저명학술지 Small Science에 논문 게재
안동준 교수 (교신저자), 김명기 교수 (교신저자), 박누리 박사 (공동 제1저자), 이예담 박사과정 (공동 제1저자), 이상엽 박사 (공동 제1저자)
고려대학교 화공생명공학과 안동준 교수 연구팀과 KU-KIST 융합대학원 김명기 교수 연구팀이 공동으로 저온 환경에서 물(H2O) 분자의 나노미터 스케일 거동을 실시간으로 관찰하여, 세계 최초로 고밀도 물 분자 나노클러스터 형성을 규명하는 데 성공했다. 이번 연구는 저온에서 물 분자의 거동과 상전이 과정에 대한 새로운 통찰을 제공하며, 동결 방지 기술 및 극저온 소재 과학 분야에서 혁신적인 발전 가능성을 제시한다. 연구 결과는 2024년 10월 24일, 국제 저명 학술지 Small Science (IF: 11.1)에 게재되었다.
※ 논문명: Plasmonic Observation of High-Density Nanoclustering in Low-Temperature H2O
※ 주저자: 안동준 교수 (교신저자), 김명기 교수 (교신저자), 박누리 박사 (공동 제1저자), 이예담 박사과정 (공동 제1저자), 이상엽 박사 (공동 제1저자)
물은 지구상의 생명 유지에 필수적일 뿐만 아니라, 다양한 물리적 상태와 상전이 과정을 통해 독특한 성질을 발휘하는 물질이다. 특히 저온 환경에서의 물 분자의 행동과 상전이 메커니즘은 동결 방지 기술과 극저온 물리학에서 매우 중요한 연구 주제이다. 기존 연구들은 물 분자가 저온에서 결정 구조를 형성하며 특정 상전이를 겪는다는 사실을 밝혀냈으나, 나노미터 수준에서의 실시간 관찰은 기술적 한계로 인해 이루어지지 못했다. 이에 따라, 물 분자의 동역학을 나노미터 단위로 실시간 관찰하는 것은 저온 환경 연구 및 물리적 거동 이해에 있어 중요한 과제로 남아 있었다.
이번 연구는 첨단 플라즈모닉 센서를 극저온에 이용한 최초의 사례로, 영하 77K에서 급속 냉각된 얇은 얼음층에서 발생하는 나노미터 크기의 밀도 변화를 관찰하였다. 연구팀은 180~250K 범위에서 물 분자가 집단적으로 거동하는 현상을 관찰했으며, 이는 물 분자의 상변이 메커니즘과 얼음 결정 구조 간의 상호작용을 명확히 해주는 중요한 단서를 제공한다.
나노미터 크기의 물 분자가 저온에서 겪는 상전이와 클러스터 형성 과정을 실시간으로 관찰한 이번 연구는, 극한 환경에서의 물 분자 거동을 이해하는데 유용한 통찰을 제공함으로써 냉동 및 동결보존 기술, 에너지 산업 등 다양한 분야에서의 효율성 향상과 새로운 응용 가능성을 열어갈 것으로 기대된다.
김명기 교수는 “플라즈모닉 나노칩 센서를 활용한 실시간 관찰 기술 덕분에 물 분자의 고밀도 클러스터 형성 과정을 명확히 포착할 수 있었고, 이를 통해 얼음 결정과 물 사이의 복잡한 상호작용을 보다 깊이 있게 이해할 수 있었다”라고 설명했다.
이번 연구는 한국연구재단 미래소재디스커버리사업, 중견연구자지원사업과 KU-KIST School 운영사업 지원을 받아 수행되었다.
[그림 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 설명] 제작된 플라즈모닉 나노칩의 전자주사현미경 이미지와 나노칩 기반 플라즈모닉 검출 시스템을 이용해 저온에서 H2O상태를 측정한 이미지.
[그림 설명] 77K에서 형성된 얇은 얼음층이 180-250K 사이에서 고밀도 H2O 나노클러스터 형성을 보여주는 플라즈모닉 반응 결과.
