수소 결합 (hydrogen bond) 란 산소 (O), 질소 (N) 처럼 전기 음성도가 강한 원자와 수소가 결합할 때 생기는 약한 화학 결합입니다. 예를 들어 O-H 라는 방식으로 공유 결합을 하게 되면 수소 원자의 전자는 산소 원자 쪽으로 거의 끌려가게 되어 수소 원자는 거의 노출된 양성자가 되게 됩니다. 그리고 이것으로 인해 노출된 양성자가 공유 결합보다 약한 힘으로 다른 원자를 끌어당기게 되는데 이를 수소 결합이라고 합니다. 그 결합 에너지는 2-8 kcal/mol 정도인데 여러가지 물질에 중요한 영향을 미칩니다.
대표적으로 얼음보다 액체 상태의 물의 밀도가 높은 이유를 설명할 때 수소 결합의 이야기가 빠지지 않습니다. 수소 결합으로 인해 물이 얼음을 형성할 때 O-H…O 하는 식으로 약한 결합이 생기면서 오히려 수소 결합이 많이 끊어진 물 상태에서 보다 더 많은 빈공간이 생기게 됩니다. 따라서 물보다 오히려 얼음의 밀도가 가볍게 됩니다. 이외에도 여러가지 화학 물질에서 수소 결합의 예를 찾아볼 수 있습니다.
중국의 나노 과학 기술 국립 연구 센터 (China's National Center for Nanoscience and Technology ) 및 런민 대학 (Renmin University, 中國人民大學) 의 연구자들은 최신의 원자력 현미경 AFM (Atomic Force Microscopy) 를 사용해서 최초로 약한 수소 결합의 이미지를 얻는데 성공했습니다. 이들이 사용한 것은 8-hydroxyquinoline (8hq) 분자로 C9H7NO 의 분자 구조를 가지고 있습니다. 연구팀이 이 분자를 선택한 이유는 이미지를 찍기 쉬운 평면 구조를 지닌 안정한 분자이기 때문이라고 하네요.
(최초로 얻은 수소 결합의 이미지. 공유 결합에 비해서 가늘고 약한 선으로 보임. AFM measurements of 8-hq assembled clusters on Cu(111). (A and B) Constant-height frequency shift images of typical molecule assembled clusters, and their corresponding structure models (C and D). Imaging parameters: V = 0 V, A = 100 p.m., Δz = +10 pm. Image size: (A) 2.3 nm × 2.0 nm, (B) 2.5 nm × 1.8 nm. The dashed lines in (C) and (D) indicate likely H bonds between 8-hq molecules. Credit: Science DOI:10.1126/science.1242603 )
이 연구가 당장에 어떤 실용성이 있는 것은 아니지만 수소 결합을 이해하는 것은 기초 과학 연구에 매우 중요한 의미가 있습니다. 따라서 이들의 연구는 Science 에 발표되었습니다. 개인적으로 수소 결합 같은 약한 결합력을 이미지로 볼 수 있다는 것 자체가 꽤 신기하다고 생각됩니다. 위에 보이는 사진이 별것 아닌 것 같아도 가로 세로 수 nm 에 불과한 스냅 샷이라는 걸 생각하면 진짜 놀라운 일이죠.
참고
Journal Reference
1. Jun Zhang, Pengcheng Chen, Bingkai Yuan, Wei Ji, Zhihai Cheng, Xiaohui Qiu, Real-Space Identification of Intermolecular Bonding with Atomic Force Microscopy, Published Online September 26 2013. Science DOI: 10.1126/science.1242603
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