소금이 물에 녹는 원리가 뭘까

[파이낸셜뉴스] 소금이 물에 녹는다는 사실은 다 알고 있지만 이 원리는 뭘까. 국내 연구진이 원자 수준에서 직접 관찰하고 그 원리를 실험으로 밝혀냈다. 이는 이온을 추출하고 제어하는 것으로 전기화학 분야 등에 적용해 전기차 배터리를 개발하고 성능을 향상시키는데 활용할 수 있다.

울산과학기술원(UNIST)은 신소재공학과 신형준 교수팀이 하나의 물 분자를 제어해 소금에서 특정 염소 이온을 추출할 수 있는 '단일 이온 제어기술'을 개발했다고 21일 밝혔다.

연구진은 나트륨과 염소 이온의 특성을 활용해 염소를 선택적으로 녹인 것이다.

이온은 세포의 신호 전달이나 배터리, 반도체 등 다양한 응용 연구 분야에서 핵심적 역할을 하는 입자다. 하지만 지금까지 간단한 소금의 용해 현상을 포함해 이온의 특성을 단일 이온 수준으로 연구하는 것은 실험적으로 불가능했다.

우리가 주변에서 가장 흔하게 볼 수 있는 소금(NaCl)은 나트륨 양이온(Na+)과 염소 음이온(Cl-) 사이의 강한 이온 결합으로 이뤄진다. 물과 닿게 되면 극성분자인 물 분자에 의해 이온 결합이 끊어지게 되어 소금물이 된다.

신형준 교수는 "물에 녹은 이온은 물분자와 결합된 상태로 존재하기 때문에, 용액 속의 수많은 물 분자와 함께 끊임없이 움직여 이온을 개별적으로 제어하거나 그 특성을 연구하기 어려웠다"고 설명했다.

연구진은 -268.8℃의 극저온과 초고진공 상태의 환경에서 원자 2~3층 두께의 얇은 소금 막(film) 위에 개별 물 분자를 코팅했다. 원자 수준 이하의 해상도를 갖는 주사터널링현미경(STM)으로 소금 표면에 놓인 물의 움직임과 단일 이온 추출에 관한 연구를 성공적으로 수행했다.

연구진은 주사터널링현미경의 미세 탐침을 정밀하게 제어해 소금 표면에 달라붙은 물 분자를 원하는 특정 방향으로 이동시켰다. 이동시키며 발생한 약 10피코미터(10조 분의 1미터) 수준의 탐침 높이 변화를 분석해 염소 음이온과 물 분자가 강한 상호작용을 하고 있음을 밝혔다.

연구진은 하나의 물 분자를 원자 한층 두께의 소금계면 계단층을 따라 이동시켰다. 물 분자가 이동하는 동안 한 개의 이온이 사라졌다. 이는 물 분자가 외부 전기장에 영향을 받아 소금의 이온 결합을 끊고 소금에서 단일 이온이 떨어져 나온 것이다.

물 분자를 제어해 단일 이온을 추출할 때 항상 염소 음이온(C1-)이 나트륨 양이온(Na+)보다 우선적으로 녹는 현상을 발견했다. 이것은 나트륨이 염소보다 물의 전기장에 더 민감하게 반응하는 것으로, 물이 소금에서 나트륨을 밀어내고 염소를 끌어당긴다는 의미다.

이러한 현상은 특히 주변에 결합하고 있는 이온이나 원자가 부족한 계단층 표면에서 더 두드러지게 나타났다.

[e-mail] 김만기 기자