UNIST는 신형준(사진) 신소재공학과 교수팀이 물 분자의 집단 회전 운동이 양성자 터널링을 강화한다는 사실을 실험적으로 입증했다고 10일 밝혔다.
양성자 터널링은 양성자(H+)가 에너지 장벽을 넘는 대신 이를 직접 투과하는 양자역학적 현상으로, 화학 반응 속도, DNA와 같은 생체분자의 안정성에 영향을 미친다.
연구 결과에 따르면, 물 분자의 회전 운동이 활성화되면 분자 간 거리가 조절되면서 협동성이 증가하고 그 결과 양성자 터널링이 촉진된다.
협동성 증가에 따라 물 분자 3개의 양성자가 집단적으로 에너지 장벽을 뚫고 가는 것이다.
신 교수팀은 물 분자 3개로 삼각형을 만들고 이 삼각형의 모양 변화를 분석해 이 같은 사실을 알아냈다. 분자를 하나씩 움직여 원하는 모양으로 배치하고 그 모양 변화를 주사터널링현미경(STM)으로 분석했다.
물 분자를 소금 박막에 위에 배열해 고정하고, 우주와 비슷한 진공과 극저온 상태를 유지해 분자들이 증발하지 않도록 했다.
신 교수팀은 이 상태에서 주사터널링현미경 탐침으로 물 분자 삼각형에 특정 전압을 가해 찌그러진 물 분자 삼각형이 정삼각형에 가까워진 형태로 변하는 것을 확인했다.
전압으로 활성화된 분자의 회전운동이 물 분자간 거리인 수소 결합 길이를 조절하면서 나타난 결과다.
신형준 교수는 “이번 연구는 물 분자의 회전운동과 분자 간 협동성이 양성자 터널링을 조절할 수 있는 주요 요인임을 실험적으로 규명했다는 점에서 큰 의미가 있다”며 “이 연구 결과는 화학 반응, 촉매, 에너지 변환 과정에서 새로운 반응 조절 기법을 제시할 수 있을 것”이라고 말했다.
석현주기자 hyunju021@ksilbo.co.kr
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