미국의 과학자들은 실온에서도 액체 물의 표면이 물과 공기의 경계면에 접근할수록 점점 더 얼음처럼 보이는 구조를 가지고 있다는 증거를 발견했습니다. 캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스의 Phillip Geissler와 Nathan Odendahl은 컴퓨터 시뮬레이션을 수행했습니다. 공기와 물 사이의 고르지 않은 경계와 확인된 질서 있는 모티프는 얼음과 중요한 공통점을 공유한다고 주장합니다.
대기에서 인간의 폐에 이르기까지 지구상에서 가장 중요한 과정의 대부분은 물방울 표면에서 발생하므로 이 연구는 물리학, 화학 및 생물학 전반에 걸쳐 잠재적인 영향을 미칩니다.
실험에서 접근할 수 없는 분자 수준에서 물을 연구하기 위해 시뮬레이션을 사용했던 Geissler는 "대량 환경에서 물에 대해 이해하기 위해 수십 년 동안 노력한 것들이 인터페이스에서 잘못된 것이 되었습니다."라고 말했습니다. 공기-물 경계면의 분광학적인 측정은 표면에서 규칙적인 수소 결합을 제안하는 놀라운 결과를 가져왔습니다. Geissler와 Odendahl은 얼음을 계면수의 구조에 대한 기준점으로 제안한 이전 시뮬레이션에 대해 궁금했지만 이러한 결과가 결정적이라고 생각하지 않았습니다. 결과적으로 그들은 이러한 패턴을 더 자세히 검색할 수 있는 방법을 고안했습니다.
무질서한 구조를 찾아서
액체 물은 무질서하기 때문에 연구자들은 그들이 찾고 있는 구조가 단지 몇 개의 분자에 걸쳐 확장되어 소음 속에 묻혀 찾기 어려울 것이라는 것을 알고 있었습니다. 그들은 이전 연구자들이 실제로 부드럽고 울퉁불퉁한 인터페이스를 평평한 평면으로 취급했기 때문에 세부 사항을 놓치고 있다는 생각을 가지고 있었습니다. 연한 공기-물 경계면에 대한 연구는 10여년 전에 개척되었으며 표면과 평행한 층이 드러났습니다. 그러나 Geissler와 Odendahl은 이것을 사용하여 얼음과의 연관성을 찾는 최초의 사람이었습니다.
Geissler는 Odendahl이 얼음과 물-공기 경계면을 중첩한 첫 번째 결과를 보여주었을 때 놀랐다고 말했습니다. 그들은 즉각적인 인터페이스의 추가적인 세부사항을 통해 물 표면의 층이 하위 층으로 분할될 수 있다고 주장합니다(위 그림 참조). 평행한 하위층은 얼음 기저면의 특징이며, 얼음과 물-공기 경계면에서 이들 층 사이의 현저한 유사성이 듀오가 확신하는 바입니다.
Geissler와 Odendahl은 이러한 하위층을 기준점으로 사용하여 분자의 방향을 비교했으며 이것이 얼음의 사면체 물 분자에 대해 잘 정의되어 있음을 알고 있었습니다. 연구자들이 물 표면 근처의 산소-수소 결합이 선호하는 방향을 지도화했을 때, 그들은 질서가 얼음의 표면과 일치하는 것으로 다시 주장하는 것을 관찰했습니다. 이러한 패턴은 몇 가지 분자 직경을 유지하며 이는 대량 물에서 예상되는 일시적인 사면체 구조보다 더 큽니다.
깨진 대칭은 물을 조직화하게 만듭니다.
결론을 주장하면서 Odendahl은 "유연한 인터페이스를 통해 우리는 이것이 단지 몇 가지 우연한 측정 기준이 아니라는 확신을 갖게 되었습니다."라고 말했습니다. 밀도를 보면, 방향을 보면, 여러 겹을 보면 우리가 보았던 모든 것이 일치하는 것 같았습니다.”
물은 인터페이스에서 전기적으로 죽은 것으로 판명되었습니다.
그러나 액체의 통계적 역학에 대한 연구를 해석하는 것은 항상 논쟁의 여지가 있습니다. 물-공기 경계면에 대한 지속적인 논쟁은 얼음이 어떻게 정의되는지, 그리고 단지 몇 개의 분자에 걸쳐 있는 구조가 결정과 같은 특성을 가지고 있는지에 대한 근본적인 질문으로 귀결될 것입니다. 결과를 되돌아보면서 Geissler는 "우리는 이제 이러한 구조적 모티프에 대해 생각하기 위한 구조적 기준점을 갖게 되었으며, 결국 그것이 매우 유용한 개념적 도구가 될 것이라고 생각합니다."라고 말했습니다.
연구는 미국 화학 학회지.
