고려대, 극저온서 나노단위 물 분자 클러스터 형성과정 세계 최초 규명 … 동결 보존·방지기술 활용 기대

고려대학교는 화공생명공학과 안동준 교수와 고려대-한국과학기술연구원(KU-KIST) 융합대학원 김명기 교수 공동 연구팀이 세계 최초로 나노미터 크기의 물(H₂O) 분자 거동을 실시간으로 관찰하는 데 성공해 저온에서의 고밀도 물 분자 나노 클러스터 형성을 규명했다고 29일 밝혔다.

물은 모든 생명에게 필수적인 물질로, 다양한 환경에서 독특한 성질을 발휘한다. 특히 저온에서 물 분자의 행동과 상전이 메커니즘은 동결 방지 기술과 극저온 물리학에서 매우 중요한 연구 주제다. 기존 연구는 저온에서 물 분자가 결정 구조를 형성해 특이 상전이 현상이 일어나는 것은 증명했으나, 나노미터 수준에서의 실시간 관찰은 기술적 한계로 이뤄지지 않아 과제로 남아있었다.

공동 연구팀은 세계 최초로 극저온에서 첨단 플라즈모닉 센서를 활용해 영하 77K(켈빈, 절대온도로 0K는 -273.15℃)에서 급속 냉각된 얇은 얼음층에서 발생하는 나노미터 크기의 밀도 변화를 관찰했다. 연구팀은 138~268K 범위의 반응 현상을 실시간으로 관찰해 물 분자 상변이 메커니즘과 얼음 결정 구조 간의 상호작용을 증명했다.

이번 연구는 극한 저온 환경에서 물 분자의 변동을 이해하는 데 중요한 통찰을 제공한다. 냉동, 동결 보존 기술 외에도 에너지 사업 등 다양한 산업 분야에서 효율성 향상과 새로운 응용 가능성을 제시했다는 평가다.

연구를 주도한 김 교수는 "기존 연구와 달리 플라즈모닉 나노칩 센서를 활용한 실시간 관찰 기술로 물 분자 고밀도 클러스터 형성 과정을 명확히 포착할 수 있었다"며 "이번 연구 결과가 동결 기술과 물 에너지 효율성 증대에 큰 도움이 될 것으로 기대한다"고 말했다.

이번 연구 논문은 국제적인 학술지 '스몰 사이언스'에 지난 24일 온라인 게재됐다. 안 교수와 김 교수가 교신저자, 박누리·이상엽 박사와 이예담 박사과정이 공동 제1저자로 각각 참여했다.

이번 연구는 한국연구재단 미래소재디스커버리사업, 중견연구자지원사업, KU-KIST School 운영 사업의 지원을 받아 수행됐다.