IBS(기초과학연구원·원장대행 김영덕)는 김관표 나노의학연구단 박사팀과 김채운 UNIST 교수팀이 풀러렌 분자 결정이 액체로 상전이 하는 과정을 단일 분자 수준에서 관찰하는 방법을 제시했다고 30일 밝혔다.

상전이는 물질이 온도·압력 등 외부 조건에 따라 상태가 변하는 현상이다. 예를 들어 고체가 액체로 변하는 융해, 액체가 고체로 변하는 응고 등이다. 

상전이를 단일 원자 혹은 분자 수준에서 정밀하게 관찰하는 데는 여러 제약이 있다. 특히 액체 상태에서는 분자 배열이 불규칙하고 분자들이 활발하게 움직이기 때문에 단일 분자들의 위치를 실시간으로 측정하는 것은 거의 불가능하다고 알려졌다. 분자의 상태 변화는 컴퓨터 시뮬레이션이나 모래 알갱이 등을 이용한 모델 실험 등 간접적으로 연구됐다.

연구진은 그래핀과 풀러렌을 이용해 분자의 상태 변화를 실시간으로 관찰했다. 단층 그래핀을 만들고 이 위에서 매우 얇은 풀러렌(C_70​) 분자 결정을 제작했다. '분자축구공'이라 불리는 풀러렌은 탄소 원자로 구성된 구형 분자다. 

그래핀은 풀러렌 분자의 배열 변화를 단일 분자 수준에서 볼 수 있게 만들었다. 그래핀 막은 액체 풀러렌 분자들을 지탱하고 전자현미경 관찰 중 문제가 되는 노이즈를 최소화하는 역할을 했다. 

연구진은 분자들은 불규칙한 브라운 운동을 하지 않고 주변 분자들과 상호작용하며 움직이는 모습도 관찰했다. 이 현상은 사람들이 빽빽하게 모여 있는 공간에서 움직일 때 주변 사람들이 서로 움직일 공간을 만드는 모습과 닮았다.

김관표 연구위원은 "기존에는 모래 알갱이 등 큰 입자들을 이용한 모델 실험이나 컴퓨터 시뮬레이션으로 상전이 현상들을 간접적으로 연구해왔는데 이번 연구로 직접 관찰이 가능해졌다"며 "고체에서 액체로의 상전이는 의약품의 흡수 과정 등 나노입자의 융해 반응 연구에 적용될 것으로 기대된다"고 말했다.

연구 결과는 지난 27일 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재됐다.