| 초록 |
□ 연구개요 본 연구에서는 나노미터 크기의 물을 고진공의 전자현미경에 넣을 수 있는 이차원 물질을 이용한 액상 저장용 칩 (chip)을 개발하고, 저온 전자현미경과 액상 전자현미경을 결합한 저온액상 전자현미경 법을 개발하여 나노 얼음의 온도에 따른 결정 구조 및 얼음 내에 존재하는 결정 결함들을 원자 단위에서 관찰하려고 한다. 이러한 전자현미경 실험 결과들과 컴퓨터 시뮬레이션 결과들을 토대로 나노 얼음의 온도에 따른 상태도를 완성하려 한다. □ 연구 목표대비 연구결과 전자현미경 내에서 시료의 액체 상태를 유지하는 액상 셀 구조를 만들기 위해 화학기상증착기를 사용하여 그래핀을 성장시켰다. 전자현미경 회절 패턴과 라만 분석을 통하여 액상 셀 제작에 적합한 균일한 그래핀을 대면적으로 합성한 것을 확인하였다. 소수성을 띄는 그래핀의 표면 성질을 플라즈마 처리하여 친수화시키는 작업을 통해 액상 셀에 물이 잘 가두어 지도록 표면 개질을 수행하였다. 저온 액상 셀 전자현미경으로 얼음의 결정 구조의 변화를 관찰한 결과 50 e-/Å2·sec 의 조사량 조건 이하에서는 안정적으로 얼음의 형상과 결정 구조를 유지한 반면, 100 e-/Å2·sec의 전자빔 조사량 이상에서는 방울 형태의 형상이 나타나기 시작하며, 350 e-/Å2·sec 이상의 조사량에서는 방울 형태의 크기가 증가하며 얼음에 해당하는 전자빔 회절패턴이 사라지기 시작하였으며, 가장 높은 조사량 조건에서 얼음이 완전히 제거되고 그래핀에 해당하는 회절점만 남은 것이 확인 되었다. 또한, 고분해능 이미지와 고분해능 이미지 시뮬레이션의 비교를 통해서 얼음 결정임을 확인하였다. 전자현미경 내에서 얼음을 효과적으로 관찰하기 위해서 전자빔과 얼음의 상호작용을 최소화 할 수 있는 전자 조사량 조건 (10 e-/Å2·sec)을 확립하여 결정이 무너지지 않는 조건에서 온도에 따른 얼음 형성 관찰을 진행하였다. 그래핀 표면에 흡착된 물을 중저온 (178 K)부터 극저온 (77 K)까지 냉각을 시켜 저온투과전자현미경 회절 패턴을 관찰한 결과 153 K 이상의 온도에서는 결정이 형성되지 않았고, 153 K부터 146 K에서는 육방정계상이, 146 K보다 낮은 온도에서는 입방정계상을 가지는 얼음이 형성되는 것을 확인하였다. 이는 밀도범함수이론을 통한 에너지 계산 결과와도 일치하며, 계산된 자유에너지 차이에 따르면 142 K 이하에서는 입방정계상이 안정하고 142 K 이상에서 육방정계상이 안정함을 확인하였다. 이와 같은 데이터를 통해 본 연구에서는 실험의 온도, 압력에 따른 얼음상 분석 정보와 기존에 연구가 진행된 다른 압력 조건에서 형성된 얼음 결정 정보를 바탕으로 온도-압력에 따른 저압상의 얼음 상태도를 제작하였다. □ 연구발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) 나노 얼음의 이해는 기초과학적 측면에서 자연 현상을 이해하는 데 매우 중요한 부분을 제공해줄 수 있다. 얼음 결정의 최종 상 구현에 대해 초기 성장이 어떤 영향을 미치는지, 이후 상변화가 어떻게 발생하는지에 대한 논의가 거의 없어 이에 대한 해답을 제시해 줄 수 있을 것이라 기대하고 있다. 그뿐만 아니라 저온을 활용한 산업과 과학 기술 분야에서도 핵심적인 역할을 수행할 수 있다. 밀접하게는 부패 가능성이 있는 식품 및 원재료의 장거리 물류 이동을 위한 저온 보관 기술에 적용이 가능하다. 복잡하게는 생물학적 시료의 보존이나 냉동 인간의 구현, 세포 단위에서 형성되는 얼음과 해동 과정에 관한 기술 등 시료 내에서 얼음의 형성과 그 영향을 이해하는 데에 도움이 될 수 있다. 이 외에도 얼음은 지구 내에서뿐만 아니라 우주에 대한 이해를 높이기 위해 이용되고 있으며, 성간 구름 내 얼음 결정, 혜성 꼬리에서 발견되는 얼음, 별 표면에서 발견되는 얼음 등 우주 과학 영역에서 중요하게 인식되고 있다. 마지막으로 나노 입방정 얼음에 대해 구조적, 물성적으로 이해도를 높일수록 실제 정확한 물리적 구조 기반의 물성 특성을 구현할 수 있어, 초전도체와 같은 특이적 물성을 구현하거나 새로운 과학, 산업적 응용 분야가 발생할 수 있을 것으로 예상한다. (출처 : 연구결과 요약문 2p) |
