얼음의 표면은 융점(0℃) 이하의 온도에서도 융해하여표면 액체상이 생성된다. 표면 액체상은 스케이트의 미끄러짐에서부터 뇌운으로 전기를 발생하는 것까지 폭넓은 현상의 핵심으로 생각되고 있어, 표면 액체상의 정체를 분자 레벨에서 해명하는 것이 매우 중요하다. 지금까지는 얼음 결정의 표면에서 한종류의 액체상이 나타나는 것으로 생각해 왔는데, 호카이도 대학 저온 과학 연구소의 연구원들은 Olympus 주식회사와 공동으로 개발한 원자·분자 높이의 단차를 가시화할 수 있는 광학 현미경을 이용해 관찰했는데, 얼음 결정 육각 바닥면상에서는 2종류의 표면 액체상이 생성되고, 이들은 서로 섞이지 않고 마치 수면상에 빗방울이 구르는 듯한 행독을 나타낸다는 것을 발견했다.
이것은 표면 액체상에 대한 지금까지의 생각을 뒤집는 성과로 향후 표면 액체상이 중요한 역할을 하는 폭넓은 현상의 기구 해명에 도움이 될 것으로 기대된다.
이 연구는 JST 전략적 창조 연구 추진 사업 개인형 연구 "빛의 이용과 물질 재료 생활 기능" 연구 영역의 연구 과제 "부동액 단백질 작용 발현기구의 해명을 목표로 한 현장에서의 광 관찰"의 일환으로, 이 연구 성과는 미국 국립 과학원 회보 (PNAS) 온라인 속보판으로 2012년 1월 9일 (미국 동부 시간)에 공개될 예정이다.
그림 1 얼음 결정의 육각 바닥에서 생성하는 두 가지 표면 액체 상.
그림의 왼쪽은 광학 현미경 사진에서 오른쪽은 모식도입니다. -1.5 ℃보다 낮은 온도에서 3 번째처럼 얼음 결정의 표면은 성장하고 있습니다. 그러나 그것보다 조금 온도가 높은 -1.5 ~ -0.4 ℃에서 2 단처럼 벌크장 방울 (α 상 : 흰색 삼각형)가 생성하기 시작합니다. 또한 온도가 높은 -1.0 ~ -0.1 ℃에서는 1 단처럼 벌크장 방울뿐만 아니라 얇은 액체 층 (β 상 : 빨강 삼각)가 발생하기 시작합니다. α 상과 β상의 발생 온도는 실험마다 약간의 차이를 설명했지만 같은 실험에서는 항상 β상은 α 상보다 고온에서 발생했습니다. 2 종류의 표면 액체상은 동적으로 얼음 결정 표면을 돌아다니고, 합체를 반복했습니다. 검은 삼각 얼음 결정 표면에 물 1 분자 높이의 분자 층 (단위 단계)를 보여줍니다.
그림 2 투명한 고체 표면에 원자 분자 높이의 단차를 가시화할 수있는 레이저 공초점 미분 간섭 현미경
[연구 배경]
얼음은 지구에서 매우 많이 존재하고 있으며, 그 상전이(성장과 융해, 승화)는 지구의 추운 지역에서 일어나는 다양한 자연 현상을 지배한다. 얼음 결정의 표면은 융점 (0℃) 이하의 온도에서도 융해되어 "표면 액체상"을 생성한다. 표면 액체상은 스케이트의 미끄러짐 및 복빙(얼음에 압력을 가하게 되면 녹는점이 내려가 물이되고 압력을 제거하면 녹는점이 올라가 다시 얼음이 되는 현상), 서리, 얼음 결정 입자의 재결정화, 눈 결정 모양의 변화, 식품이나 장기 저온 저장, 뇌운의 전기 발생 등 다양한 현상의 열쇠를 쥐고 있다고 생각된다. 따라서 이러한 현상의 비밀을 해명하기 위해서는 표면 액체상의 정체를 분자 수준에서 해명해야 한다.
융점 이하에서 얼음의 융해에 의한 표면 액체상의 생성은 전자기학의 시조인 마이클 패러데이에 의해 1850년대에 처음으로 제창되었지만, 지금까지 아무도 직접 가시화할 수 없었다.
[연구 방법]
올림푸스와 공동으로 개발한 레이저 공초점 미분 간섭 현미경이라는 광학 현미경을 이용하면, 얼음 결정 표면의 물 1분자 높이(0.37nm)의 단차를 직접 가시화할 수 있다. 이 광학 현미경을 이용해 수증기 중에서 성장시킨 얼음 결정(눈 결정)의 표면을 관찰했다.
[연구 성과]
얼음 결정의 육각 저면에서 마치 물과 기름처럼 서로 섞이지 않는 두 종류의 표면 액체상이 발생하는 것을 발견했다. -1.5℃보다 낮은 온도에서 얼음 결정의 표면은 성장해 가는데, -1.5~-0.4℃보다 높은 온도에서 벌크상의 액적(α상 : 그림1의 흰색 삼각형)이, 그리고 -1.0~-0.1℃보다 높은 온도에서는 얇은 액상층 (β상:그림1의 붉은 삼각형)이 발생한다. 이러한 형상의 차이점은 두 개의 표면 액체상의 물리화학적 성질이 크게 다르다는 것을 보여준다. 2종류의 표면 액체상은 얼음 결정 표면을 돌아다니며, 합체를 반복한다. 지금까지 표면 액체상은 1종류 밖에 없고, 얼음의 전체 표면에서 균일하게 생성하는 것으로 생각했다. 그러나 이번 연구에서 두 가지 표면 액체상이 존재하고 그들은 얼음 표면에서 매우 균일하고 역동적인 거동을 보인다는 것을 알 수 있었다.
물과 기름은 성격이 전혀 다른 분자로 되어 있기 때문에 서로 섞이지 않는다. 그러나 같은 물 분자로 이루어진 2종류의 표면 액체상이 서로 섞이지 않고, 마치 수면에 빗방울이 떨어지는 듯한 행동을 나타내는 것은(그림1) 기초 과학의 관점에서 매우 흥미로운 현상이다.
<향후의 전개>
이 연구에서는 성격이 다른 2종류의 표면 액체상이 존재하고 이들이 얼음 표면에 균일하고 동적으로 거동하는 것을 밝히는 데 성공했다. 이 연구에서 얻은 표면 액체상에 관한 새로운 아이디어는 스케이트의 미끄러짐이나 뇌운의 전기 발생까지 표면 액체상이 중요한 역할을 하는 다양한 현상의 비밀을 밝혀내는 열쇠가 될 것으로 기대된다.
원본 출처: jst.go.jp
화학 / 바이오 / 환경
