로렌쓰 버클리 국립 연구소의 연구원들은 그 연구소의 첨단 광원(Advanced Light Source; ALS)을 사용하여 가장 간단한 형태의 알콜인 메탄올이 물과 섞여 있을 때와 섞여있지 않았을 때의 전자 상태를 연구했다. 그들은 물과 알콜이 완전하게 섞이지 않는다는 것을 분자 수준에서 관찰했다.
“우리는 물과 알콜의 혼합 상태를 분자 수준에서 관찰했고 아무리 오래 기다려도 완전하게 섞일 수 없다는 것을 발견했다. 그러나 우리 연구에서 가장 중요한 과학적인 의미는 지금까지 명확하게 알지 못하던 액체와 용액의 분자 특성을 탐구할 도구를 확립했다는 것이다.”라고 이 연구를 이끌고 있는 칭과 구오는 말한다.
연구원들은 지난 40여년간 물과 알콜이 분자수준에서 어떻게 혼합되는지를 연구해왔다. 물속의 알콜은 수많은 화학공정 혹은 생물학 공정에서 가장 기본적인 액체-액체 용액 중에 하나이다. 그러나 지금까지 그러한 용액의 분자 특성은 중성자 회절 분석에 의해 이루어졌고 실험결과는 두 분자가 혼합되어 있다는 결과를 나타냈다.
풀리지 않은 중대한 사실은 알콜과 물이 혼합되었을 때 그들의 엔트로피(무질서도)는 이상용액에서의 예상처럼 증가하지 않는다는 사실이었다. 분자 수준에서 물과 알콜의 완전한 혼합하려면 서로가 상호작용을 하지 않고 무질서하게 두개의 분자가 섞여야 한다. 이것은 물-알콜 용액의 엔트로피가 순수한 알콜의 엔트로피 이상으로 증가해야 한다는 것을 의미한다. 그렇게 되지 않는 이유를 찾기 위해서 구오와 동료들은 ALS를 사용했다.
소프트(저에너지) XRF로 알려진 실험장치와 ALS 광원을 사용하여 순수한 메탄올과 물과 섞여있는 메탄올의 흡수/발광 특성을 연구했다. 메탄올은 먹을 수는 없지만 물과 혼합되었을 때의 거동은 에탄올과 비슷할 것으로 예상했다.
“우리는 상온에서 액체 메탄올의 구조가 6~8개의 메탄올 분자로 구성된 고리와 사슬의 혼합 형태임을 발견했다. 물이 첨가되면 메탄올의 사슬은 크기가 다른 물 분자 클러스터와 상호작용을 하고 안정한 열린 고리 구조물과 사슬들이 섞인다. 물과 메탄올 분자가 서로 도와 질서를 갖는 구조물을 형성하는 것은 두 액체가 분자수준에서 거의 혼합되지 않는다는 것을 의미한다.”라고 구오는 말한다.
이전의 연구에서 그들은 상온에서 순수한 액체 물에 대한 전자 구조를 연구하기 위해 빔라인을 사용했다. 그들은 물 분자가 수소결합을 통해 클러스터 구조를 형성한다는 것을 발견했다. 그러나 그러한 수소결합은 빠르게 분해되고 다시 형성되기 때문에 액체 물에 존재하는 물 분자들이 자유롭게 유영 하는데 어떠한 모멘트도 주어지지 않는다. 이렇게 수소결합을 하고 있는 클러스터가 메탄올 사슬과 반응하기 때문에 자유 유영하는 물 분자가 존재할 수 없다. 이것은 엔트로피가 혼합용액에서 감소하는 이유를 설명한다.
“물과 알콜이 혼합될 때 형성되는 고리구조는 안정하다. 왜냐하면 수소결합이 포화 되기 때문이다. 만일 더 많은 메탄올과 물 분자가 질서 있는 구조를 형성한다면 그 시스템의 엔트로피는 훨씬 더 감소할 것으로 생각된다.”라고 구오는 말한다.