2020.07.27
김관표 교수(연세대학교 물리학과) 연구팀은 울산과학기술원 김채운 교수팀과 함께 풀러렌 분자 결정의 액체 상전이 과정을 단일 분자 수준에서 관찰했다.
상전이는 물질이 온도, 압력, 외부 자기장 등 일정한 외적 조건에 따라 한 상에서 다른 상으로 바뀌는 현상이다. 예를 들어 기체가 액체로 전이하는 응축 현상과 액체가 고체로 전이하는 응고 현상이 일상에서 볼 수 있는 대표적인 상전이 현상으로 꼽힌다.
상전이 현상은 기존에 모델 실험이나 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 간접적으로 연구해왔다. 상전이를 단일 원자 혹은 분자 수준에서 정밀하게 관찰하기에는 여러 실험 제약이 존재했기 때문이다. 특히 액체 상태에서는 분자배열이 불규칙적이고 각각의 분자들이 활발하게 움직여 단일 분자들의 위치정보를 실시간으로 측정하는 것은 어렵다.
연구팀은 그래핀 위에 풀러렌 분자 결정을 제작해 이런 어려움을 해결했다. 풀러렌은 탄소 동소체 중 하나로 탄소 원자들이 오각형 혹은 육각형 모양으로 결합해 구형 분자를 이룬다. 풀러렌은 전자빔에 대한 안정성이 높아 전자현미경으로 관찰하기 용이하다는 장점이 있다. 그래핀은 액체 상태의 풀러렌 분자들을 지탱하고 전자현미경 관찰 중 문제가 될 수 있는 노이즈를 최소화시키는 역할을 했다.
김관표 교수는 "기존에는 모델 실험이나 컴퓨터 시뮬레이션으로 상전이 현상들을 간접적으로 연구해왔으나 이번에 실제 분자 결정이 액체로 상전이 하는 현상을 직접 관찰했다"며 "고체에서 액체로의 상전이는 나노 물질을 여러 반응을 결정하는 중요한 과정으로, 향후 의약품의 체내흡수 과정 등 나노입자 융해 반응 연구에 적용할 수 있을 것"이라고 말했다.
이번 연구결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈' 27일자에 발표됐다.