[논문 리뷰] Evidence of a new quantum state of nano-confined water

George Reiter, А. И. Колесников외 5명|arXiv (Cornell University)|2011. 01. 26.

Quantum, superfluid, helium dynamics인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 탄소 나노튜브, 나피온, 프로톤 교환 막 등에서 관찰된 20 Å 규모의 나노구속에서 수소 결합 네트워크의 양자적 공명과 강한 비조화성에 기인한 프로톤 운동량 분포의 상당한 이질성으로 인해 발생하는 새로운 양자 상태에 대한 직접적인 실험적 증거를 제공한다. 주요 발견은 0점 에너지 운동 에너지가 최대 ±120 meV로 이격되어 있으며, 이는 이 규모의 구속에서 기존의 양자 기저 상태와는 질적으로 다른 상태임을 시사한다.

ABSTRACT

Deep Inelastic Neutron Scattering provides a means of directly and accurately measuring the momentum distribution of protons in water, which is determined primarily by the protons ground state wavefunction. We find that in water confined on scales of 20A, this wave function responds to the details of the confinement, corresponds to a strongly anharmonic local potential, shows evidence in some cases of coherent delocalization in double wells, and involves changes in zero point kinetic energy of the protons from -40 to +120 meV difference from that of bulk water at room temperature. This behavior appears to be a generic feature of nanoscale confinement. It is exhibited here in 16A inner diameter carbon nanotubes, two different hydrated proton exchange membranes(PEMs), Nafion 1120 and Dow 858, and has been seen earlier in xerogel and 14A diameter carbon nanotubes. The proton conductivity in the PEM samples correlates with the degree of coherent delocalization of the proton.

연구 동기 및 목표

• 나노스케일의 구속이 물속 수소 이온의 양자역학적 거동에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 구속된 물에서 수소 결합 네트워크가 고전적 전기적 상호작용 모델을 초월한 집단적 양자 효과를 나타내는지 확인하기 위해.
• 나노구속 시스템에서 프로톤 운동량 분포, 양자 공명성, 프로톤 전도도 간의 관계를 탐색하기 위해.
• 관측된 프로톤 운동량 분포의 이격이 기존의 고체 수소 상태와 질적으로 다른 새로운 양자 기저 상태를 나타내는지 규명하기 위해.

제안 방법

• 16 Å 이중벽 탄소 나노튜브, 14 Å 단일벽 나노튜브, 제로겔, 그리고 두 종류의 프로톤 교환 막(Nafion 1120 및 Dow 858)에 구속된 물에서의 프로톤 운동량 분포를 측정하기 위해 딥 인elastic 중성자 산란(DINS)을 사용하였다.
• 실험은 충격 시간이 짧아 프로톤이 충돌 중 자유 입자처럼 행동하는 인파르티클 추정 가정에 기반하여 수행되었으며, 산란 함수 S(q,ω)로부터 운동량 분포 n(p)를 추출할 수 있었다.
• 산란 함수 J(y)는 이중 미분 단면적에서 유도되었으며, y는 운동량 이동과 에너지 손실에 따라 조정된 변수로, 운동량 분포의 역행렬을 가능하게 하였다.
• 데이터는 ISIS의 Vesuvio 분광계를 사용하여 수집되었으며, 35°–75°의 산란 각도를 커버하는 48개의 검출기가 사용되었으며, 다중 산란 및 감마선 배경에 대한 보정이 이루어졌다.
• 운동량 분포에 일반화된 가우시안 피팅을 적용하였으며, 관련 라게르 다항식을 사용한 수식: n(p) = (1/(√(2πσ)³)) exp(−p²/(2σ²)) × [1 + Σ aₙ(−1)ⁿ L₁/₂ⁿ(p²/(2σ²))], 이를 통해 σ 및 고차 비조화성 파rameter를 추출하였다.
• 0점 운동 에너지는 K.E. = (3ħ²/M)σ²로 계산되었으며, 이는 다양한 샘플 간의 양자 에너지 이격을 비교하는 데 기여하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 20 Å 규모의 나노구속은 기존의 고체 수소 상태와는 질적으로 다른 양자 상태를 물에 유도하는가?
• RQ2 구속된 물에서 프로톤 운동량 분포가 고전적 전기적 상호작용 모델이 예측하는 바와 얼마나 다를까?
• RQ3 프로톤 전도도와의 상관관계에서, 공명 프로톤 분포의 정도는 프로톤 교환 막에서 어떻게 변화하는가?
• RQ4 관측된 운동량 분포의 이격은 단일 입자 모델로 설명될 수 있는가, 아니면 다체 양자 상관관계가 필요한가?
• RQ5 구속된 물에서 0점 에너지 이격의 크기는 얼마이며, 이는 구속 기하학적 형태와 화학적 환경에 따라 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 170 K에서 16 Å 이중벽 탄소 나노튜브에 구속된 물에서 프로톤 운동량 분포는 기존의 고체 수소와 상당한 이격을 보이며, σ = 5.97 Å⁻¹, 0점 운동 에너지 221 meV를 나타내어 강한 비조화성을 시사한다.
• 300 K에서 Nafion 1120에서의 운동량 분포는 σ = 6.28 Å⁻¹, K.E. = 245 meV이며, a₂ = 2.42로 나타나 상당한 양자 비조화성과 공명 분포가 존재함을 시사한다.
• 300 K에서 Dow 858는 가장 높은 σ(6.50 Å⁻¹)와 K.E.(262 meV)를 보이며, a₂ = 2.70로 나타나 가장 강한 공명 분포를 보이며, Nafion보다 약 70% 높은 프로톤 전도도와도 관련이 있다.
• 구속된 물에서의 0점 운동 에너지는 기존의 고체 수소와 비교해 최대 ±120 meV의 이격을 보이며, 이는 양자 기저 상태 에너지의 상당한 이격을 의미한다.
• 관측된 이격은 단일 입자 모델이나 단순한 드바이-월러 요인 증가로는 설명될 수 없으며, 다체 양자 상관관계와 수소 결합 네트워크 내의 양자 공명 길이가 존재함을 시사한다.
• 다양한 시스템(SWNT, xerogel, PEMs, DWNT) 간의 결과 일관성은 이 새로운 양자 상태가 나노스케일 수소 구속의 일반적인 특성임을 시사한다.