'꿈의 신소재'로 불리는 그래핀은 탄소 원자 한 층으로 이뤄진 대표적인 이차원 물질로, 뛰어난 강도와 전기적 특성으로 잘 알려져 있다.

그러나 그래핀과 물의 상호작용, 즉 표면의 습윤성(액체가 고체 표면에 얼마나 잘 퍼지거나 달라붙는지를 나타내는 성질)에 대해서는 10년 넘게 논쟁이 이어져 왔다.

일부 실험에서는 물이 그래핀 위에서 방울처럼 맺혀 소수성(물과 친하지 않은 성질로, 물이 표면에서 잘 퍼지지 않고 물방울이 맺히는 성질)을 보였지만, 다른 실험에서는 물이 퍼지며 친수성(물과 친한 성질로, 물이 표면에서 잘 퍼지는 성질)을 나타냈다.

이 같은 상반된 결과로 그래핀이 물에 대해 어떤 성질을 가지는지는 명확히 규명되지 못했다. 특히 그래핀은 원자 한 층 두께에 불과해 아래 놓인 바탕 재료(기판)의 성질이 그대로 드러난다는 '젖음 투명성' 가설이 제기되기도 했다.

11일 기초과학연구원(IBS)에 따르면 분자 분광학 및 동역학 연구단 조민행 연구단장(고려대 화학과 교수)과 고려대 화학과 슈테판 링에 교수 연구팀은 머신러닝 기반 분자동역학 시뮬레이션을 활용해 그래핀-물 계면을 원자 수준에서 정밀하게 분석했다. 그 결과, 결함이 없는 순수 그래핀은 본질적으로 소수성이며, 미시적으로도 젖음 투명성을 갖지 않는다는 사실을 확인했다.

연구팀은 기존 실험 결과와 불일치하는 원인을 그래핀과 기판 사이에 갇힌 물 분자에 있다고 봤다.

친수성 기판 위에 놓인 단일층 그래핀은 공기 중에 포함된 수증기 형태 물 분자들이 그래핀 아래로 쉽게 침투해 얇은 층을 형성한다. 이에 따라 그래핀 위의 물과 아래에 갇힌 물의 신호가 동시에 측정되며, 분광학적 신호가 서로 일부 상쇄되는 현상이 발생한다.

이러한 효과로 그래핀의 본래 소수성 분광학 신호가 약화하면서 그래핀이 친수성처럼 보이는 결과가 나타난다고 연구팀은 설명했다.

반면, 그래핀 층이 두꺼워질수록 물이 아래로 침투하는 것이 열역학적으로 불리해지며 이러한 갇힘 현상이 거의 발생하지 않는다.

그 결과 다층 그래핀에서는 숨겨진 물의 영향이 사라지고, 그래핀의 본래 소수성이 그대로 드러난다. 이는 단일층과 다층 그래핀이 서로 다르게 보였던 기존 실험 결과를 통합적으로 설명하는 것이라고 연구팀은 전했다.

조민행 연구단장은 "이번 연구를 통해 그래핀-물 계면에서 나타나는 상반된 실험 결과의 원인을 명확히 규명했다"며 "그래핀 아래에 존재하는 물의 역할을 밝힘으로써 그래핀의 본질적인 습윤성을 이해할 수 있게 됐다"고 말했다.