수소결합의 힘, 직접 측정

스위스 바젤대학 연구팀 발표

사상 처음으로 과학자들은 원자력현미경(AFM atomic force microscope)을 이용해, 한 분자 안에서 수소결합의 힘을 연구하는데 성공했다. 이에 따라 과학자들은 우주에서 가장 작고 가장 풍부한 원소에 대한 이론을 제시할 수 있게 됐다.

스위스 대학 연구팀은 이같은 연구결과를 사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 게재했다고 지난 12일 보도자료를 통해 발표했다.

원자력현미경(AFM)으로 정밀 측정    

2개의 원자 사이에 수소 원자가 결합되어 일어나는 수소결합은 자연계에서 매우 중요한 결합이다.  생물을 구성하는 물질 중 가장 많은 양을 차지하는 물의 경우, 수소원자 2개와 산소원자 1개가 공유결합해서 만들어진다. 수소결합의 상태 변화에 따라 물이 얼음이 되기도 하고, 단백질은 변성이 되기도 한다.

그러므로 과학자가 더 잘 이해하기를 원하는 우주의 모든 요소 중 수소는 가장 첫 번째로 꼽히기도 한다. 수소는 우주에서 관찰가능한 모든 것의 75%를 차지하며, 모든 원자의 90% 이상을 차지한다.

AFM 현미경으로 관찰한 수소결합의 관찰을 보여주는 개념도  ⓒ University of Basel, Department of Physics

AFM 현미경으로 관찰한 수소결합의 관찰을 보여주는 개념도 ⓒ University of Basel, Department of Physics

수소는 주기율표상의 거의 모든 비금속원소와 쉽게 화합물을 만들며, 산소와 탄소와의 수소결합은 왜 우리가 존재하는지의 이유이기도 하다.

유전자 이중 나선구조가 안전하게 유지되는 것도 수소결합덕분이다. 수백만 개의 수소결합이 DNA염기쌍이 손상되지 않고 유지되도록 한다. 다시 말해 수소결합이야말로 우리가 아는 생명을 쌓는 가장 근본 중의 하나인 것이다

수소결합은 화학결합보다 엄청나게 약하기 때문에 지금까지 수소결합을 관찰하는 것은 불가능하다고 여겨졌다.

지금까지 수소결합을 연구할 때 두가지 주요 도전이 있었다. 수소는 원자만큼 매우 작으며, 그 약한 결합은 쉽게 깨지는데 특히 1개 분자일 때 더욱 그렇다.

가장 작고 가장 풍부한 원자인 수소원자는 물리학과 화학에서 엄청나게 중요하다고 바젤대학(University of Basel)의 스위스나노사이언스연구소(Swiss Nanoscience Institute)의 연구원들은 강조했다.

스위스나노사이언스연구소의 가와이 시게키(Shigeki Kawai)박사는 일본과학자들과의 긴밀한 공동연구 끝에 해상도가 높은 원자력현미경을 이용해서 이같이 수소원자를 관찰했다.

연구팀은 “비록 수소결합 연구에 많은 분석기법이 적용됐지만, 1개 분자에 있는 수소원자들을 직접 관찰하는 것은 지금까지 탐험되지 않은 상태였다”고 발표했다.

스위스연구팀은 프로펠러를 닮은 프로펠렌 (propellane)이라는 수소화합물을 이용해서 성공적으로 산소원자와 두 개의 수소원자 사이의 힘과 거리를 측정했다.

연구팀은 항상 2개의 수소원자가 위로 향하도록 정렬하는 탄화수소 화합물을 선택했다. 연구팀은 이렇게 정렬된 수소원자를 원자력현미경(AFM)으로 관찰했는데, 이 현미경은 해상도가 매우 높아서 아주 작은 힘도 측정하고 형상화할 수 있다.

기존 계산결과와 일치    

과학자들이 이 결과를 가지고 이미 확인된 수소결합 계산치와 비교해보니 정확히 일치했다. 수소결합은 화학결합보다 훨씬 약하지만, 분자사이의 반데르발스 상호작용(van der Waals interaction)보다는 강하다. 이번에 이 연구팀이 측정한 수소원자 사이의 힘과 거리는 핀란드 아알토대학교(Aalto University)의 아담 포스터(Adam S. Foster)교수가 측정한 계산과 일치하는 것으로 나타났다.

이제 수소결합을 직접 측정할 수 있게 됐으니, 새로운 시각에서 우주의 가장 기본적인 구조물의 하나를 볼 수 있게 됐다. 이에 따라 물리학의 다음단계가 열릴 것으로 연구팀은 기대하고 있다.

수소원자와의 상호작용을 직접 측정함으로서 DNA나 폴리머 같은 3차원 분자를 구별하는 길을 열어놓았다고 과학자들은 말했다. 엔지니어링 화학 등 다양한 분야에도 응용이 예상된다.

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