물 분자 3개로 이뤄진 삼각형의 모양 변화를 분석해 그 안에서 일어나는 양자적 현상을 규명한 연구 결과가 나왔다.

10일 울산과학기술원(UNIST)에 따르면 신소재공학과 신형준 교수팀은 물 분자의 집단 회전 운동이 양성자 터널링을 강화한다는 사실을 실험적으로 입증했다.

양성자 터널링이랑 양성자가 에너지 장벽을 넘는 대신 이를 직접 투과하는 양자역학적 현상이다. 화학 반응 속도와 DNA 등 생체 분자의 안정성에 영향을 미친다.

연구팀은 물 분자의 회전 운동이 활성화되면 분자 간 거리가 조절되면서 협동성이 증가하고, 그 결과 양성자 터널링이 촉진된다는 사실을 확인했다. 협동성이 증가함에 따라 물 분자 3개의 양성자가 집단으로 에너지 장벽을 뚫고 가는 것이다.

연구팀은 물 분자 3개로 삼각형을 만들고, 이 삼각형의 모양 변화를 분석하는 방식으로 이 같은 사실을 알아냈다.

분자를 하나씩 움직여 원하는 모양으로 배치하고, 그 모양 변화를 분석하기 위해 주사터널링현미경(STM)이라는 첨단 분석 기술을 사용했다.

물 분자는 소금 박막 위에 배열해 고정했으며, 초고진공과 초극저온 상태를 유지해 분자가 증발하지 않게 했다.

소금 박막 위에 올려진 물 분자 삼각형은 왼쪽 또는 오른쪽으로 찌그러진 형태를 보였는데, 찌그러진 방향이 수시로 바뀌었다. 이는 저온 상태에서도 자연적으로 양성자 터널링이 일어나고 있다는 것을 보여준다.

이 상태에서 STM의 탐침으로 물 분자 삼각형에 특정 전압을 가하면 물 분자 삼각형이 정삼각형에 가까워진 형태로 변했는데, 전압으로 활성화된 분자의 회전 운동이 물 분자 간 거리인 수소 결합 길이를 조절한 결과라고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 이 같은 삼각형 구조 변화로 인해 분자 간 협동성이 강화되고, 집단적 양성자 터널링이 일어나게 됐다고 분석했다.

신형준 교수는 "이번 연구는 물 분자의 회전 운동과 분자 간 협동성이 양성자 터널링을 조절할 수 있는 주요 요인임을 실험적으로 규명했다는 점에서 큰 의미가 있다"며 "화학 반응, 촉매, 에너지 변환 과정에서 새로운 반응 조절 기법을 제시할 수 있을 것"이라고 말했다.

연구 결과는 지난달 12일 발간된 국제 학술지 '나노 레터스'(Nano Letters)에 실렸다. 연구는 중견연구자지원사업, 기초과학연구원의 지원을 받아 이뤄졌다.