재측정된 반데르발스 힘

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KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-03
독일 연구진은 반데르발스(van der Waals) 힘을 정확하게 측정할 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 반데르발스 힘은 약 150년 전에 측정되었지만, 고체, 액체, 분자의 반응을 예측하면서 수량화하는 것은 매우 어렵다. 그래서 단일 원자들 또는 거시적인 물체에서만 정확한 측정들이 가능했다. 반데르발스 힘은 중간 크기에서 특히 중요한다. 이런 크기에서, 그들은 생체분자 및 단백질과 같은 복잡한 분자 거동을 결정하는데 기여한다. 또한 그들은 특정 접착제의 기능에 큰 영향을 끼치고, 도마뱀이 표면에 잘 부착해서 벽을 잘 오를 수 있게 한다. “새로운 방법을 사용해서, 우리는 더 큰 거리 범위에 존재하는 단일 분자의 반데르발스 힘을 측정하는데 최초로 성공했다”고 Christian Wagner 박사가 말했다. 측정된 수치는 이론적 예측과 일치하였다. 결합 강도는 거리의 세제곱으로 감소하는데, 이것은 지극히 작은 범위의 상호작용을 설명할 수 있다. 이번 연구진의 새로운 연구는 분자가 더 클수록 표면에 대한 이것의 인력이 점점 더 강해진다는 것을 밝혔다. 실제로, 이런 효과는 간단한 모델 예측 결과와 심지어 직관적으로 가정된 결과보다 더 강했다. “일반적으로, 이런 측정에는 원자들의 모든 상호작용만이 추가된다. 그러나 우리가 측정한 반데르발스 힘은 이것보다 10% 더 높다”고 이번 연구진이 말했다. 반데르발스 힘은 원자와 분자의 껍질 속에 존재하는 전자들의 변위(양자 요동이라고 부름) 때문에 발생한다. 이것은 약한 전기적 인력을 이끈다. 더 큰 분자의 경우에, 더 많은 원자들이 모여서 만들어진다. 그리고 이것의 상부에 존재하는 각각 및 모든 원자는 이런 분자의 특성에 더 강한 영향을 끼친다. “큰 유기 분자들이 전체 분자들로 인해서 전자구름을 종종 형성하기 때문에, 그들은 단일 원자보다 상당히 더 많은 공간을 전자들에게 제공한다”고 Ruslan Temirov 박사가 말했다. “이것은 그들이 더 쉽게 대체될 수 있게 만들고, 전기적 인력을 과도하게 증가시킨다”고 Temirov 박사가 덧붙였다.   측정을 위해서, 이번 연구진은 복잡한 유기 탄소 화합물을 부착시켰다. 이 유기 탄소 화합물은 원자힘 현미경의 팁을 통해서 금속 표면에 부착되었다. 그들은 팁이 빠르게 앞뒤로 움직이도록 진동 센서를 이 팁에 부착시켰다. 분자들이 표면에서 제거될 때, 이런 진동 주파수는 변하는데, 이것은 반데르발스 힘을 측정할 수 있게 한다. 이것은 팁이 표면에서 몇 분자 길이(대략 4 나노미터) 정도 물러날 때도 발생한다. 이런 수치는 1998년에 노벨상을 수여받게 했던 밀도 함수 이론을 사용해서 시뮬레이션 계산을 하는데 매우 유용하다. 이 기술은 분자와 고체의 구조적, 전기적, 광학적 특성들을 계산하기 위해서 오늘날 가장 일반적으로 사용되는 방법이다. 이것의 많은 장점에도 불구하고, 반데르발스 힘을 정확하게 예측하는데 여전히 문제가 존재한다. 이 연구결과는 저널 Nature Communications에 “Non-additivity of molecule-surface van der Waals potentials from force measurements”라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/ncomms6568). 그림. 분자 속의 각각의 단일 원자에 대한 힘은 분자 크기에 따라서 증가한다. noname011.bmp http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=38234.php