분자 구조와 전하를 동시에 영상화하기
Focus: Imaging Molecular Structure and Charge Simultaneously

전도성 고분자라 불리는 분자들을 작은 전류를 나르는 선으로 이용함으로써 연구자들은 원자 스케일의 부품들로부터 소자를 조합하기를 희망한다. 한 연구팀이 이 분자들의 추가 전하에 대한 반응과 관련된 이론적인 불확실성을 다루는 기법을 개발했다.1) 이 팀은 구조를 영상화하는 기법과 전하를 영상화하는 기법을 결합한 후 짧은 고분자 가닥에 투입된 전하가 넓게 퍼지기보다는 작은 영역에 국한되어 머무른다는 것을 발견했다. 그들은 또한 투입된 전하가 분자 구조의 작은 영역만 변형시킨다는 것을 알았다. 이 기법이 제공하는 원자 스케일의 정보는 이 고분자들이 전류를 통과시키는 과정에 대해 연구자들이 더 잘 이해할 수 있도록 도울 것이다.

전도성 고분자에 단일 전하를 더하면 분자의 구조가 변형될 수 있다. 투입된 전하와 이에 관련된 변형의 조합은 폴라론(polaron)으로 알려져 있다. 이 준입자(quasiparticle)는 전류의 일부로 고분자 체인을 따라 껑충뛰기(hopping)를 하며 흐를 수 있다. 그러나 고분자의 전기적 거동을 결정하는 폴라론의 자세한 특성들을 실험적으로 결정하는 것은 어려운 문제로 남아 있다. 게다가 다양한 이론들은 구조적 변형의 양이나 전하가 퍼지는 정도 등의 문제들에 대해 일치하는 예측을 제공하지 않았다.

원자 스케일의 탐침을 이용해 이 질문들에 대답하고 이를 통해 이론적 모델들을 개선하기 위한 시험대를 제공하기 위해 독일 University of Regensburg의 Jascha Repp와 동료들은 두 기법을 결합했다. 첫 번째는 원자힘 현미경(Atomic Force Microscopy, AFM)을 이용해 분자 구조를 결정하는 표준적 방법이다. 둘째는 주사 터널링 현미경(Scanning Tun- neling Microscope, STM)의 탐침에 교류 전압을 걸어 분자 내 전하 분포를 본뜨기(mapping)하기 위한 시스템이다. 작년, Repp과 그의 동료들은 이 두 번째 기법을 선보였는데 그들은 이를 AC-STM이라 불렀다.2)

연구팀은 고체 표면 위에 놓인 페닐렌(phenylene, 여섯 개의 탄소 원자를 포함하는 고리) 여섯 단위로 구성된 짧은 고분자를 연구했다. 우선 그들은 AFM을 이용해 여분의 전자가 없는 경우의 분자 구조를 구했다. 이 기본적인 실험에서 그들은 이전 연구들로부터 예측된 것처럼 서로 이웃한 고리들이 공통의 평면에 있는 것이 아니라 서로에 대해 대략 34도 정도로 기울어져 있음을 발견했다.

그 다음으로 Repp과 동료들은 고분자에 단일 양전하를 더한 후 AFM과 AC-STM을 모두 이용해 측정을 진행했다. 이 측정들을 통해 그들은 추가된 전하가 자신을 고분자 중심의 작은 영역에 국한시키면서 중심 근처에 이웃한 단위들 사이의 기울임 각도를 줄인다는 것을 발견했다. 따라서 고분자는 분자의 원래 구조가 유지되는 양 끝에 비해 중심부가 더 평평해졌다.

Repp에 따르면 그의 연구팀의 업적은 실험가들이 전형적인 전도성 고분자의 전하 상태를 제어하는 동시에 구조와 전하 분포를 동시에 영상화한 첫 번째 사례라고 말한다. Regensburg팀의 멤버인 Laerte Patera은 “이론적 모델링은 고분자 내 여분의 전자의 공간적 분포를 예측하는데 실패했습니다”라고 말한다. 그러나 이 새 결과는 “추가적인 이론적 탐색의 준거를 제공할 것입니다”라고 그는 말한다.

표면 물리학자인 Technical University of Vienna의 Martin Setvin은 “폴라론은 본질적으로 모든 물질 속에서 형성되고 그들의 물리적, 화학적 특성에 영향을 끼칩니다”라고 말한다. “그러나 지난 70년 동안 연구자들은 그들을 오직 간접적으로만 조사할 수 있었습니다.” 그는 직접적인 조사의 구현이 폴라론에 대한 진전된 이해를 얻는 데 도움이 될 것이라고 말한다.

실험이 신비한 바위의 패턴을 복제하다
Focus: Experiments Duplicate Mysterious Rock Patterns

프랑스 알프스와 슬로베니아 카렌을 포함하여 유럽 전역의 산맥의 석회암 절벽에는 빗물에 의해 새겨진 것으로 생각되는 깊은 채널 자국이 있다. 이런 암석 위 패턴의 형성은 그간 충분히 설명되지 못했다. 그러나 한 연구팀은 제어된 조건 하에서 녹을 수 있는 바위와 같은 물질 위로 흐르는 물이 자연에서 발견되는 것과 매우 비슷한 홈들을 새길 수 있음을 보였다.3) 이 실험은 물에 의해 바위에 새겨지는 침식의 패턴들에 대한 이론을 개발하기 위한 시험대로 사용될 수 있다.

모래 언덕에 형성되는 잔물결과 같은 패턴에서부터 화산의 잔여물에서 보이는 육각형 기둥에 이르기까지 물리학자들은 지질학적 패턴의 형성 메커니즘에 오랫동안 매료되어 왔다. “rillenkarren”이라 불리는 유형의 패턴은 폭이 수 센티미터에 길이가 수십 센티미터인 나란한 홈들로 구성되어 있다. 이 패턴은 일반적으로 석회암이나 석고처럼 물에 녹을 수 있는 암석의 표면 위에서 발견된다. 지구과학자들은 빗물이 암석을 씻어 없애기보다는 화학적으로 용해시켜서 rillenkarren을 만든다고 믿는다. 그러나 연구자들은 녹이는 과정이 왜 매끈한 표면 대신 홈들을 만드는지 알지 못한다.

1980년에 암석 위를 흐르는 물이 홈과 같은 패턴을 만들 수 있다는 아이디어가 한 실험 연구에 의해 뒷받침되었다.4) 이 실험에는 물방울이 고체의 표면으로 향하게 하는 빗물 시뮬레이터가 활용됐다. 이를 통해 홈이 새겨짐을 목격한 연구팀은 충격을 주는 빗방울이 홈 형성의 시발점으로 필요하다는 의견을 제시했다. 그러나 연구자들은 빗방울의 충격이 필요하다는 것을 실험으로 입증하지 않았고 유속을 변경하거나 홈 구조의 시간에 따른 전개를 관찰하지도 않았다.

이 현상에 대한 후속 연구의 출발점으로 University of Paris의 Michael Berhanu와 동료들은 더 많은 제어가 가능하고 새겨지는 구조의 시간에 따른 변화를 추적할 수 있으며 빗방울이 필요 없는 실험을 고안했다. 그들은 실제 암석보다 더 빨리 용해되는 두 암석 대체품 위로 얇고 균일한 수막을 흘렸다. 하나는 포장용 돌 크기의 회반죽(plaster) 블록이고 다른 하나는 비슷한 크기의 히말라야 핑크 소금으로 만든 판이었다. 회반죽은 주로 석고로 만들어졌고, 소금은 석회암의 대체물이었다. 연구팀은 암석의 표면을 따라 물이 아래로 흘러가도록 각 블록을 기울인 후 레이저 형상측정기로 표면의 지형을 측정했다.

회반죽의 경우에는 수십 분이 지난 후에 밀리미터 넓이의 좁은 홈들이 발달했다. 이 홈들은 상부의 가장자리에서 시작해서 천천히 폭과 길이 및 깊이를 확장시켰고 몇 시간 후에는 블록 전체 길이로 확대되었다. 이 시점에서 홈들은 충분히 깊어서 마루들(crests)이 수막의 위로 나올 정도였다. 연구팀은 소금 판에서도 훨씬 더 빠른 시간 스케일에서 동일한 홈이 형성됨을 관측했다: 홈들은 물을 흘리고 수 분 이내에 나타나기 시작했고 5분 이내에 전체 블록에 걸쳐 형성되었다.

자연적으로 형성되는 rillenkarren의 패턴과 실험에서 얻은 최종적인 홈의 패턴을 비교한 결과, Bernahun가 비록 연구실에서 형성된 홈들이 더 좁다는 점에 주목했지만, 연구팀은 두 패턴 사이에 매우 강한 유사성을 확인했다. 폭의 차이는 아마도 실험의 짧은 수행 시간(회반죽의 경우 55시간, 소금의 경우는 수십 분)에서 비롯되었을 것이다. Berhanu는 실험 시간을 늘렸다면 연구팀이 폭이 더 넓은 홈을 얻었을 것이라 확신한다.

Berhanu는 “우리의 실험은 암석 위를 흘러가는 물의 층만으로 홈이 만들어지기에 충분하고 충격을 주는 물방울은 필요하지 않다는 것을 보여 줍니다”라고 말한다. “이 발견은 이 패턴들과 용해에 기반한 다른 패턴들에 대한 연구자들의 사고를 변화시킬 것입니다”

University of Oslo의 지질학자인 Øyvind Hammer는 이 결과들이 패턴 형성의 초기, 가장 중요한 단계에 대한 실험적 통찰력을 주는 “중요한 진전”을 제시했다고 말한다. “이 통찰력은 이론을 알리고 그 유효성을 검증하며 수치 모델링을 수행하는데 유용합니다”.