새로운 분광법으로 물의 양자 비밀 밝혀내다

물은 생명과 동의어이지만, H2O 분자를 하나로 모으는 역동적이고 다면적인 상호 작용인 수소 결합은 여전히 ​​신비합니다. 수소 결합은 물 분자 사이의 수소와 산소 원자가 상호 작용하여 그 과정에서 전자 전하를 공유할 때 발생합니다. 이 전하 공유는 액체 물에 고유한 특성을 부여하는 3차원 'H-결합' 네트워크의 핵심 특징이지만, 그러한 네트워크의 핵심에 있는 양자 현상은 지금까지 이론적 시뮬레이션을 통해서만 이해되었습니다.

이제 EPFL 공과대학의 기초 생체광자학 연구실 책임자인 실비 로크가 이끄는 연구자들은 새로운 방법인 상관 진동 분광법(CVS)을 발표했는데, 이를 통해 물 분자가 H-결합 네트워크에 참여할 때 어떻게 행동하는지 측정할 수 있습니다. 중요한 점은 CVS를 통해 과학자들이 이러한 참여(상호작용) 분자와 무작위로 분포된 비-H-결합(비상호작용) 분자를 구별할 수 있다는 것입니다. 반면 다른 방법은 두 분자 유형을 동시에 측정하여 보고하기 때문에 두 분자를 구별하는 것이 불가능합니다.

"현재 분광학 방법은 시스템 내의 모든 분자의 진동으로 인해 발생하는 레이저 광의 산란을 측정하므로, 관심 있는 분자 상호작용으로 인해 보이는 것이 무엇인지 추측하거나 가정해야 합니다." 로크가 설명합니다. "CVS를 사용하면 각 분자 유형의 진동 모드에 고유한 진동 스펙트럼이 있습니다. 그리고 각 스펙트럼에는 H-결합을 따라 앞뒤로 움직이는 물 분자에 해당하는 고유한 피크가 있으므로, 얼마나 많은 전자 전하가 공유되는지, H-결합 강도에 어떤 영향을 미치는지와 같은 특성을 직접 측정할 수 있습니다."

연구진은 이 방법이 모든 물질의 상호작용을 특성화하는 데 "혁신적인" 잠재력을 가지고 있다고 말하며, Science 에 게재됐다고 밝혔습니다.

새로운 각도에서 사물을 바라보다

과학자들은 상호작용하는 분자와 상호작용하지 않는 분자를 구별하기 위해 근적외선 스펙트럼에서 펨토초(1조분의 1초) 레이저 펄스로 액체 물에 빛을 비췄습니다. 이러한 초단파 빛은 물에서 작은 전하 진동과 원자 변위를 생성하여 가시광선 방출을 유발합니다. 이 방출된 빛은 분자의 공간적 구성에 대한 핵심 정보를 포함하는 산란 패턴으로 나타나는 반면, 광자의 색상은 분자 내부와 분자 사이의 원자 변위에 대한 정보를 포함합니다.

"일반적인 실험은 분광 검출기를 들어오는 레이저 빔에 대해 90도 각도로 배치하지만, 우리는 검출기 위치를 변경하고 특정 편광광 조합을 사용하여 스펙트럼을 기록하기만 하면 상호 작용하는 분자를 조사할 수 있다는 것을 깨달았습니다. 이런 방식으로 상호 작용하지 않는 분자와 상호 작용하는 분자에 대해 별도의 스펙트럼을 만들 수 있습니다."라고 Roke는 말합니다.

연구팀은 CVS를 사용하여 H-결합 네트워크의 전자적, 핵적 양자 효과를 분리하기 위한 추가 실험을 수행했습니다. 예를 들어, 수산화물 이온(더 염기성으로 만듦)이나 양성자(더 산성으로 만듦)를 추가하여 물의 pH를 바꾸는 방법이 있습니다.

"수산화물 이온과 양성자는 H-결합에 참여하므로 물의 pH를 변경하면 반응성이 변경됩니다." 논문의 첫 번째 저자인 박사 과정 학생 Mischa Flór가 말했습니다. "CVS를 사용하면 이제 수산화물 이온이 H-결합 네트워크에 얼마나 많은 추가 전하를 기부하는지(8%), 그리고 양성자가 얼마나 많은 전하를 받아들이는지(4%)를 정확히 정량화할 수 있습니다. 이전에는 실험적으로는 결코 할 수 없었던 정확한 측정입니다." 이러한 값은 프랑스, ​​이탈리아, 영국의 협력자들이 수행한 고급 시뮬레이션의 도움으로 설명되었습니다.

연구진은 이론적 계산을 통해 입증한 이 방법이 어떤 물질에도 적용될 수 있으며, 실제로 여러 가지 새로운 특성화 실험이 이미 진행 중이라고 강조했습니다.

"H-결합 강도를 직접 정량화하는 능력은 전해질, 당, 아미노산, DNA 또는 단백질을 포함하는 모든 용액의 분자 수준 세부 사항을 명확히 하는 데 사용할 수 있는 강력한 방법입니다."라고 Roke는 말합니다. "CVS는 물에만 국한되지 않으므로 다른 액체, 시스템 및 프로세스에 대한 풍부한 정보도 제공할 수 있습니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241025122544.htm