Protons in Amorphous Solid Water: Proton Transfer and Acid-Promoted Crystallization

Abstract

본 학위 논문은 비결정성 얼음 내에서 양성자의 성질에 관한 연구 결과를 다루었다. 특히 양성자에 의한 비결정성 얼음의 결정화 촉진과 초저온에서의 양성자 도약에 초점을 맞추었다. 이러한 비결정성 얼음 내 양성자의 기본적인 성질은 성간 먼지에 존재하는 비결정성 얼음 표면에서 일어나는 화학 반응이나 액체 산 수용액의 특성을 이해하는데 도움이 될 것이다.<br/> 1장에서는 다양한 얼음의 상과 얼음 내에서의 양성자의 성질을 소개하였다. 우선 얼음의 결정성 및 비결정성 상들의 구조와 관계에 대해 설명하고, 물과 얼음 내에서 양성자의 이동에 관해 지금까지 연구된 문헌들을 정리하였다.<br/> 2장에서는 연구에서 사용된 표면 분석 실험법들을 설명하였다. 반사 흡수 적외선 분광법, 온도 프로그래밍 탈착법, Cs+ 반응성 이온 산란법과 저에너지 스퍼터링의 기본 원리를 정리하고, 또한 초고진공 챔버 주변 분석 장비의 구성과 실험 과정을 기술하였다. <br/> 3장에서는 초과 양성자가 비결정성 얼음의 결정화에 주는 영향을 연구하였다. 염화 소듐이 비결정성 얼음의 결정화를 방해하는 것과 달리, 염화 수소의 해리에 의해 발생한 양성자는 비결정성 얼음의 결정화를 촉진하였다. 이러한 가속 효과는 양성자가 비결정성 얼음 필름의 표면에 있을 때뿐만 아니라, 필름 내부에 있을 때도 관측되었다. 양성자의 위치에 관계없이 결정화는 산이 위치한 곳 근처에서 시작하였다. 순수한 비결정성 얼음의 경우 결정화의 활성화 에너지가 63.4 kJ·mol-1 로 측정된 데 반해, 0.1 ML (monolayer) 염화 수소가 흡착된 경우 48.5 kJ·mol-1 로 감소하였다. 초과 양성자에 의한 결정화의 활성화 에너지 감소 메커니즘을 논의하였다.<br/> 4장에서는 초저온에서 비결정성 얼음 내부에 있는 양성자 도약 거리를 측정하였다. 양성자 주개(염화 수소)와 양성자 받개(암모니아) 사이의 양성자 이동의 효율은 양성자 도약만이 가능한 ~10 K와 80 K에서 양성자 이동 반응에 의해 발생한 암모늄 이온의 양을 재는 방법으로 측정되었다. 표면에서는 양성자가 안정화되기 때문에 80 K에서는 대부분의 양성자가 이동한 데 반해 ~10 K 에서는 많은 양성자들이 이동하지 못하였다. 반면에, 내부에서는 두 온도 사이에서 양성자 이동 효율이 큰 차이를 보이지 않았다. 평균 양성자 도약 거리는 80 K에서 11.2 ± 1.1 ML 이었으며, ~10 K 에서는 9.4 ± 1.4 ML 로 측정되었다. 이는 초저온에서 양성자 도약은 주로 터널링에 의해 일어남을 암시한다.<br/>