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반데르발스 힘, 원자 단위에서 최초 측정

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반데르발스 힘, 원자 단위에서 최초 측정

2016.06.23 07:15

 

University of Basel, Department of Physics 제공
University of Basel, Department of Physics 제공

원자 사이에 작용하는 ‘반데르발스힘’을 개별 원자 단위에서 측정하는 데 최초로 성공했다. 스위스와 일본, 핀란드 등으로 구성된 국제공동연구팀은 아르곤(Ar)과 제논(Xe), 크립톤(Kr) 등 비활성기체의 원자 하나에 작용하는 반데르발스힘을 측정한 결과를 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’ 5월 13일자에 발표했다.


반데르발스힘은 극성을 띄지 않는 원자 또는 분자의 전하 분포가 순간적으로 달라지면서 생기는 인력으로, 주변 원자나 분자에 작용한다. 이 힘 덕분에 물체의 마찰력이나 응집력, 접착력 등이 생긴다. 게코도마뱀이 떨어지지 않고 벽을 타고 오르는 비결이기도 하다.


연구팀은 극저온 원자현미경의 탐침에 제논 원자를 붙이고, 측정 대상이 되는 비활성기체 원자들을 ‘나노 비커’에 가뒀다. 나노 비커는 구리 원자들로 이뤄진 그물망 모양의 구조로, 마치 둥지에 들어 있는 알처럼 비활성기체 원자가 그 안에서 움직이지 못하게 고정한다.


연구팀이 각 원자와의 거리를 바꿔가며 반데르발스힘을 측정한 결과, 이론에서와 같이 거리가 멀어질수록 급격하게 인력이 작아졌다. 하지만 반데르발스힘의 크기는 이론적으로 계산한 값보다 크게 나타났다. 특히 제논 원자의 경우 이론값보다 최대 두 배에 가까운 수치가 나왔다. 연구팀은 “(다른 원자와 잘 상호작용하지 않는) 비활성기체지만 원자들 사이에 전하가 이동해서 약한 공유결합이 형성될 수 있다”며 “그 효과로 반데르발스힘이 이론값보다 더 큰 것처럼 나타난 것일 수 있다”고 추정했다.

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