연구 개요

↗읽을거리 (저차원 탄소 공간의 유동 현상, 박형규)

❍ 1차원 공간에서 물분자들의 상태: 분자동역학(Molecular Dynamics)이 밝혀낸 바에 따르면, 물분자는 자신의 크기 정도밖에 안되는 극도로 협소한 아쿠아포린(세포의 물채널 역할을 수행하는 세포막단백질)과 탄소나노튜브 내부로 자발적으로 들어갈 수 있음. 비록 3차원 수소결합 상태에 비해 일렬종대로 늘어선 1차원 수소결합 상태가 네 개의 수소 결합 중 두 개를 잃는 결합에너지 손실을 보더라도, 1차원 수소결합 구조가 새로 얻게 되는 자유도와 관계된 엔트로피가 증가할 수 있음. 결국 열역학적으로 볼 때 1차원 공간에 갇힌 물분자들은 3차원 공간에서보다 그 화학포텐셜이 감소할 수 있음.

❍ 1차원 공간에서 물의 동역학적 거동: 연속체의 최소 단위를 통계적으로 대략 10,000개 정도의 입자 덩어리로 본다면, 물의 경우 그 규모가 대략 6-7 nm 가량이므로 이보다 작은 지름의 채널 속에서 물의 동역학은 불연속체적일 것임. 분자동역학에 의하면, 이러한 1차원 공간에서 물의 이동속력이 연속체 역학의 예상치보다 훨씬 빠를 수 있음.

❍ 소차원 공간 내 불연속체 역학: 이와 같이 매크로스케일의 경험적 직관을 뒤집는 소수성 소차원 공간 내 물의 수소결합과 그 결합이 결정하는 불연속체 역학은 종종 예상보다 크게 효율적인 유체의 유동을 일으킬 수 있음. 소차원 공간의 협소함에도 불구하고 예상보다 쉽게 흘러 들락거리는 소차원 나노스케일에서 물의 독특한 전달 현상(transport phenomena)은 여러 과학적 질문과 공학적 디자인의 상상을 일깨움.

❍ 소차원 불연속체 전달물리 탐구: 현재까지는 불연속체 동역학의 방법론으로 나노스케일의 유체역학적 현상들을 해석하는 것이 다소 제한적인데, 이는 부분적으로 기체분자운동론이 액체분자운동론으로 충분히 발전하지 못한 이유 때문임. 우리 연구실에서는 우수한 제막 기술이 담보하는 관찰 가능성과 기체 및 액체분자운동론에 대한 이해, 그리고 분자동역학 계산능력에 종합적으로 기반하여 기존의 접근법으로 설명하기 어려운 소차원 초미세 공간 내 유체 유동의 불연속체(noncontinuum) 물리를 탐구하고 있음.

주요 결과

J. K. Holt,^† H. G. Park^† et al. Science 2006 / K. Celebi et al. Science 2014

H. G. Park and Y. Jung Chem. Soc. Rev. 2014 / J. Buchheim et al. ACS Nano 2019