액체에서 유영하는 단일 원자 최초 촬영

과학자들이 그래핀 덕분에 액체에서 “유영”하는 단일 원자 이미지를 처음으로 촬영했다.

영국 맨체스터 대학(University of Manchester) 그래핀 과학자들은 2차원(2D) 물질을 사용하여 액체에서 원자가 어떻게 움직이는지를 관찰하는 새로운 방법을 만드는 새로운 “나노 페트리 접시(nano-petri dish)”를 만들었다.

NGI(National Graphene Institute) 연구원들이 이끈 연구팀은 액체의 존재가 고체의 거동을 어떻게 변화시키는지 더 이해하기 위해 액체를 포획하기 위해 그래핀과 같은 2D 재료 스택을 사용했다.

연구는 Nature 저널에 게재됐다.

팀은 처음으로 액체에서 “유영”하는 단일 원자의 이미지를 캡처할 수 있었다. 이 발견은 수소 생산과 같은 녹색 기술의 미래 개발에 광범위한 영향을 미칠 수 있다.

고체 표면이 액체와 접촉할 때 두 물질은 서로 근접함에 따라 구성이 변경된다. 고체-액체 인터페이스에서 이러한 원자 규모의 상호 작용은 깨끗한 전기 생성을 위한 배터리 및 연료 전지의 동작을 제어할 뿐만 아니라 깨끗한 물 생성의 효율성을 결정하고 많은 생물학적 프로세스를 뒷받침한다.

수석 연구원 중 한 명인 사라 하이(Sarah Haigh) 교수는 “원자가 액체와 접촉하는 표면에서 어떻게 행동하는지에 대한 기본 사항에 대해 우리가 아직 배워야 할 것이 얼마나 많은지 정말 놀랍다. 정보가 누락된 이유 중 하나는 고체-액체 인터페이스에 대한 실험 데이터를 생성할 수 있는 기술이 없기 때문”이라고 말했다.

투과 전자 현미경(TEM)은 개별 원자를 보고 분석할 수 있는 몇 안 되는 기술 중 하나다. 그러나 TEM 기기는 고진공 환경을 필요로 하며, 진공 상태에서 재료의 구조가 변한다. 제1저자인 닉 클락(Nick Clark) 박사는 “우리 연구에서 우리는 액체 세포를 사용하는 대신 진공에서 원자 행동을 연구하면 잘못된 정보가 제공된다는 것을 보여준다”라고 설명했다.

로만 고르바초프(Roman Gorbachev) 교수는 전자공학을 위한 2D 재료 적층을 개척, 그의 그룹은 동일한 기술을 사용하여 “이중 그래핀 액체 전지(double graphene liquid cell)”를 개발했다. 이황화 몰리브덴의 2D 층은 액체에 완전히 현탁되었고 그래핀 창으로 캡슐화됐다. 이 새로운 디자인을 통해 정밀하게 제어된 액체 층을 제공할 수 있어 액체로 둘러싸인 단일 원자가 “유영”하는 것을 보여주는 전례 없는 비디오를 캡처할 수 있다.

영상에서 원자가 어떻게 움직이는지를 분석하고 케임브리지 대학 동료들이 제공한 이론적 통찰력과 비교, 연구자들은 액체가 원자 거동에 미치는 영향을 이해할 수 있었다. 액체는 원자의 운동 속도를 높이고 기본 고체와 관련하여 선호하는 휴식 위치를 변경하는 것으로 밝혀졌다.

연구팀은 녹색 수소 생산에 유망한 물질을 연구했지만 그들이 개발한 실험 기술은 다양한 응용 분야에 사용될 수 있다.

닉 클라크(Nick Clark) 박사는 “이것은 획기적인 성과이며 시작에 불과하다. 우리는 이미 이 기술을 사용하여 세계의 순 제로 목표를 달성하는 데 필요한 지속 가능한 화학 공정을 위한 재료 개발을 지원하는 방법을 찾고 있다”고 말했다.