소금의 용해 현상을 원자 수준에서 관찰하고, 이온이 용해되는 원리를 밝힐 수 있는 기술을 울산과학기술원(UNIST) 연구진이 개발했다.

21일 UNIST에 따르면 신소재공학과 신형준 교수팀은 하나의 물 분자를 제어해 소금에서 특정 이온을 추출할 수 있는 '단일 이온 제어 기술'을 개발했다.

이온은 세포의 신호 전달이나 배터리, 반도체 등 다양한 분야에서 핵심적인 역할을 한다.

그러나 지금까지는 이온의 특성을 단일 이온 수준에서 연구하는 게 실험적으로 불가능했다.

우리 주변에서 가장 흔하게 볼 수 있는 소금의 경우 나트륨 양이온과 염소 음이온 사이의 강한 이온 결합으로 이뤄지는데, 물과 닿게 되면 극성 분자인 물 분자에 의해 이온 결합이 끊어져 소금물이 된다.

물에 녹은 이온은 수화된 상태로 존재하기 때문에 용액 속의 수많은 물 분자와 함께 끊임없이 움직여 이온을 개별적으로 제어하거나 그 특성을 연구하기 어려웠다고 연구팀은 설명했다.

이에 연구팀은 영하 268.8도의 극저온과 초고진공 상태의 환경에서 원자 2∼3층 두께의 얇은 소금 막 위에 개별 물 분자를 증착했다.

이어 원자 수준 이하의 해상도를 갖는 주사터널링현미경의 미세 탐침으로 물 분자를 정밀 제어해 단일 이온 추출에 성공했다.

연구팀은 이 과정에서 발생한 약 10피코미터(pm·1조분의 1ｍ) 수준의 탐침 높이 변화를 분석, 염소 음이온과 물 분자가 강한 상호작용을 하고 있다는 사실을 밝혀냈다.

또 물 분자를 제어해 단일 이온을 추출할 때 항상 염소 음이온이 나트륨 양이온보다 먼저 용해되는 현상도 발견했다.

이는 나트륨 양이온과 염소 음이온의 분극률 차이 때문인데, 높은 분극률을 가진 음이온이 양이온보다 물 분자의 영향을 크게 받는 것으로 나타났다.

신형준 교수는 "이온은 우리 주변에 아주 흔하게 존재하지만, 배터리나 반도체 재료의 성능을 획기적으로 변화시킬 수 있는 흥미로운 입자"라며 "개발한 단일 이온 제어 기술을 통해 앞으로 이온과 관련한 다양한 기초 기술 및 응용 연구를 더욱 확장할 계획"이라고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션스'(Nature Communications)에 지난 16일 온라인으로 게재됐다.

연구는 중견연구자지원사업과 기초과학연구원의 지원을 받아 이뤄졌다.

윤승훈 기자  press@jeonpa.co.kr

<저작권자 © 전파신문, 무단 전재 및 재배포 금지>