물 분자가 금속 산화 판에서 어떻게 산소와 수소
원자로 분리되는 지가 밝혀졌다. 이 연구 결과로 물에서 수소 연료를 만들고 오염된 물을 깨끗하게 하는데 필요한 화학을 이해하게 되었다.
미국의 Pacific Northwest 국가 지정 연구소(PNNL)의 I. Lyubinetsky 박사팀은 이산화티타늄 (태양
차단제에 사용됨)이 물 분자를 어떻게 깨뜨리는지 이해하려는 과정에서 산소와 수소 원자가 분리되는 과정을 눈으로 관찰할 수 있었다고
Physical Review Letters 3월 6일자에 보고했다.
이산화티타늄 판 위에는 티타늄에 결합되어 있는 산소 원자들이
줄지어 있고, 티타늄과 산소 원자가 번갈아 가며 놓여 있어 줄무늬처럼 보인다 (그림). 이 표면에 하나의 산소 원자가 티타늄에 결합하면 밝은
점으로 보이는데 이것은 아다톤(adatom) 이라고 부른다. 화학자들은 온도를 급격히 떨어뜨렸을 때에만 물 분자를 볼 수 있지만, 실내
온도에서는 물의 움직임이 너무 빨라서 이를 관찰할 수 있는 방법이 없었다.
PNNL 과학자들은 주사터널현미경을 이용해 실온에서
이산화 티타늄과 물과의 반응을 관찰할 수 있었다고 말했다. 연구진은 표면에는 몇 개의 아다톤만을 처음에 보였지만, 물을 첨가하자 아다톤이 춤을
추기 시작하는 것을 관찰하게 됐다고 말했다. 논문의 주저자인 Lyubinetsky 박사는 이런 현상은 예전 연구와 이론에서는 산소 원자의 줄을
따라 될 것이라고 예상했다고 말했다. 그런데 아다톤이 줄과 줄을 뛰어 넘는 것이 관찰된 것이다.
연구팀은 이 예상치 못한 현상을
설명하기 위해 얼마나 많은 에너지가 물 분자의 도움으로 아다톤이 움직이는데 필요한지를 계산하였다. 연구진은 아다톰이 혼자 스스로 뛰어 다니기에는
에너지 장벽이 너무 높게 나오기 때문에, 가상의 분리 과정이 있어야지만 아다톰이 춤을 추는 현상을 설명할 수 있다고 말했다.
연구팀이 발견한 현상을 정리하면, 물 분자의 산소원자가 티타늄 원자에 다른 줄에 있는 산소 원자가 물 분자의 수소 원자를
빼앗는다. 이 과정은 가상의 분리 단계로 화학자들이 제안했지만, 실험으로 확인되지는 않았다. 수소 원자는 아다톰으로 다시 이동하고, 이 과정을
통해 물 분자의 두 개의 수소 원자가 분리되게 된다.
[그림] 물 분자가 이산화 티타늄 판에서 어떻게 분리되는지를 보여주고
있다.
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http://www.pnl.gov/