| [미국] 물 분자를 가두고 냉각시켜서 변화를 보는 방법
요약:: 과학자들이 각각의 수소 원자들의 중심에서 자기성 핵의 배향에서의 변화-그 분자가 한 형태의 물로부터 다른 형태로 변하는 과정-를 연구하기 위해서 물 분자들을 ‘가두고’ 냉각시키는 선구적인 방법을 사용하고 있다. 탄소 구 안에 물 분자들을 가두고 냉각시킴으로써, 과학자들은 분자들의 형태(또는 이성질체)에서의 변화를 따를 수 있게 되었다.
과학자들이 각각의 수소 원자들의 중심에서 자기성 핵의 배향에서의 변화-그 분자가 물의 한 형태로부터 다른 형태로 변하는 과정-를 연구하기 위해서 물 분자들을 ‘가두고’ 냉각하는 선구적인 방법을 사용하고 있다. 탄소 구들 안에 물 분자들을 가두고 냉각시킴으로써, 뉴욕에 있는 콜롬비아대(Columbia University)와 노팅햄(Nottingham), 사우스햄프턴(Southampton)대의 과학자들이 분자의 형태(이성질체)에서의 변화를 추적할 수 있게 되었다. 이 연구의 결과들은 언젠가 MRI 스캔의 진단력을 향상시키는 것을 도울지도 모른다.
물 분자들은 그것의 두 개의 수소 원자들의 스핀들이 어떻게 배향하는지에 따라서, 두 이성질체들 중 하나로서 존재할 수 있다: 핵 스핀들이 서로 평행인 오르소(ortho)와 스핀들이 역평행인 파라(para). 과학자들은 어떤 분자든 오르소로부터 파라 스핀 상태로 전환할 수 있고 그 반대로 될 수 있다는, 핵 스핀 변환(nuclear spin conversion)이라고 알려진 과정을 믿는다.
“현재, 이 변환의 기전은 완전히 이해되지 않았고 그 분자들이 한 스핀 이성질체로부터 다른 것으로 변환하는데 얼마나 오래 걸리는지도 알려지지 않았다. 이를 연구하기 위해서, 우리는 그 물분자들의 회전 운동성을 낮추고 분자들의 그룹핑의 원인이 되는 강한 분자 간 상호작용을 어떻게 줄이는지를 알아내야 했다”고 JCP 논문의 주저자이며 사우스햄프턴대의 박사후 물리학자인 Salvatore Mamone이 말했다.
그 답은 풀러린(fullerene, 버키볼이라고도 알려진 C60) 안에 물 분자들을 ‘가둠으로써’ 물 분자들을 서로로부터 고립시키는 것이다. H2O@C60이라고 불리는 복합체를 형성하기 위해서, 그 “우리들(cages)”이 닫히기 전에, 구들에 물 분자들을 주입할 수 있는 구멍을 열기 위해서 화학적 과정들을 사용했다. “’분자 수술’이라고 별명 붙인 이 합성적 과정의 끝에, 우리는 우리들의 70에서 90퍼센트가 차서, 조사할 상당한 양의 물 분자들을 우리에게 주는 것을 발견했다. 분자들이 우리들에 의해서 분리되어 유지되기 때문에, 오르소와 파라 이성질체의 관찰을 가능하게 해주는 큰 회전 자유도가 있다”고 Mamone은 말했다. 풀러린 우리들은 물 분자들이 어는 것을 막아서, 수소 원자들이 계속해서 돌고 변환이 여전히 일어날 수 있다는 것을 의미한다.
이 실험에서, 연구자들은 개별 H2O@C60 표본들을 50캘빈(섭씨 마이너스 223도)으로부터 5캘빈(섭씨 마이너스 268도)으로 빠르게 냉각시키고 그 다음에 며칠에 걸쳐서 매 수분마다 그것들의 NMR(핵자기 공명, Nuclear Magnetic Resonance) 신호들을 모니터했다. “관찰된 NMR 신호가 그 표본 안의 오르소-물의 양에 비례하기 때문에(파라-물은 “NMR silent“) 우리는 언제 어느 온도에서든 오르소와 파라 이성질체의 비율을 추적할 수 있다. 50캘빈에서 우리는 75퍼센트의 물 분자들이 오르소인 반면에, 5캘빈에서 거의 100퍼센트가 파라가 되는 것을 발견했다. 그래서 우리는 빠른 온도 변화 후에, 평형이 오르소로부터 파라로의 변환에 의해서 회복된다는 것을 알고, 우리는 그 변환을 실시간으로 본다”고 Mamone이 설명했다.
연구진은 이제 표면에서 단일 오르소-및 파라-물 분자들을 어떻게 감지하는지, 그리고 다른 풀러린에 갇힌 분자들에서 스핀 이성질체, 파라-물 이성질체로부터 오르소로의 변환(‘역변환’), 그리고 그 변환과정에서 온도와 이성질체 농도의 역할을 연구할 계획이다.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 6월 19일]
[원문보기]
Researchers 'cage' water to see it change form
Scientists are using a pioneering method of 'caging' and cooling water molecules to study the change in orientation of the magnetic nuclei at the centre of each hydrogen atom -- a process which transforms the molecule from one form of water to another.
By trapping water molecules in carbon spheres and cooling them, scientists at the universities of Southampton, Nottingham and Columbia University in New York, have been able to follow the change in form (or isomer) of the molecules. The results of this work may one day help to enhance the diagnostic power of MRI scans.
Water molecules can exist as one of two isomers, depending on how the spins of their two hydrogen atoms are orientated: ortho, where the nuclear spins are parallel to one another, and para, where the spins are antiparallel. Scientists believe that any given molecule can transform from ortho- into para- spin states and vice versa, a process known as nuclear spin conversion.
"Currently, mechanisms for this conversion are not completely understood, nor how long it takes the molecules to transform from one spin isomer to the other," said Salvatore Mamone, a post-doctoral physicist at the University of Southampton and lead author on the JCP paper. "To study this, we had to figure out how to reduce the strong intermolecular interactions that are responsible for grouping of molecules and lowering the rotational mobility of the water molecules."
The answer was to isolate the water molecules from one-another by 'caging' them in fullerene (C60, also known as a buckyball) spheres.
Chemical reactions are used to open a hole in the spheres where water molecules can be injected, before the "cages" are closed, to form a complex referred to as H2O@C60. "At the end of this synthetic preparation nicknamed 'molecular surgery,' we find that 70 to 90 percent of the cages are filled, giving us a significant quantity of water molecules to examine," Mamone said. "Because the molecules are kept separate by the cages, there is a large rotational freedom that makes observation of the ortho and para isomers possible."
The fullerene cages prevent water molecules from freezing, meaning that the hydrogen atoms continue to spin and conversion is still able to occur.
In their experiment, the researchers quickly cooled the individual H2O@C60 samples from 50 Kelvin (minus 223 degrees Celsius) to 5 K (minus 268 degrees Celsius) and then monitored their NMR (Nuclear Magnetic Resonance) signal every few minutes over several days.
"As the observed NMR signal is proportional to the amount of ortho-water in the sample (para-water "NMR silent"), we can track the percentages of ortho and para isomers at any time and any temperature," Mamone explained. "At 50 K, we find that 75 percent of the water molecules are ortho, while at 5 K, they become almost 100 percent para. Therefore, we know that after the quick temperature jump, equilibrium is restored by conversion from ortho to para -- and we see that conversion in real time."
The research team now plans to study the roles of isomer concentrations and temperature in the conversion process, the conversion of para-water to ortho ('back conversion'), how to detect single ortho- and para-water molecules on surfaces, and spin isomers in other fullerene-caged molecules.
|
즐겨찾기 추가 
시작페이지로 설정
