기초과학연구원(IBS) 첨단연성물질 연구단 스티브 그래닉 단장(UNIST 자연과학부 특훈교수)과 후안 왕 연구위원은 일반적인 화학반응에서 발생하는 에너지가 열로 모두 방출된다는 기존 상식을 뒤집고, 화학반응 뒤에 분자가 추진력을 얻어서 확산^*이 가속되는 것을 밝혔다.
* 분자가 주변 분자들과 부딪히면서 생기는 무작위 움직임.

분자는 화학반응을 할 때, 원자들 사이의 기존 결합을 끊고 새 결합을 형성하면서 다른 물질로 바뀐다. 이 때 발생하는 반응에너지는 국소적인 열 형태로 발산되어 사라지고, 분자 움직임에는 영향을 주지 않는다는 것이 기존 상식이었다.

연구진은 화학반응 시 분자들의 이동을 추적하여 반응 뒤 분자 이동성이 거시적으로 증가하는 것을 발견, 반응에너지가 기계적 에너지로 전환됨을 보였다.

과학기술정보통신부(장관 최기영)와 IBS(원장 노도영)는 이번 성과가 세계 최고 권위의 학술지 사이언스誌(Science, IF 41.845)에 7월 31일 게재되었다고 밝혔다.

연구진은 액체 용매 속 화학반응에서 증가하는 분자 움직임을 관찰하고, 이 움직임이 기존의 열 방출 이론으로 설명되지 않는 동력에 의한 것임을 증명하였다.

연구진은 먼저 용매 속에서 일어나는 화학반응을 핵자기공명^*으로 관찰해, 각 반응물 분자의 움직임을 추적했다. 실험 결과 반응 뒤 분자의 확산이 빨라지며, 반응 과정에서 생기는 각 분자의 확산 속도가 서로 다름을 확인했다. 이는 분자가 열 이외에 다른 동력을 가짐을 의미한다.
* 원자의 핵스핀을 감지하는 자기공명영상.

또한 연구진은 촉매가 관여하는 반응이 일반 화학반응과 전혀 다른 분자 이동을 야기하는 것도 밝혀내었다.

서로 다른 15가지 화학반응에서 나타나는 확산 속도를 분석한 결과, 촉매반응과 촉매 없는 반응의 확산 양상이 크게 달랐다.

연구진은 추가로 촉매 농도가 불균일한 미세유체칩^*을 준비하고, 칩 안에서 용매 움직임을 관찰했다. 이 때 촉매 농도가 작은 쪽으로 용매가 이동했는데, 반응물 농도 기울기에서는 이러한 이동이 일어나지 않았다. 따라서 반응 횟수 때문이 아니라 촉매 자체가 일반 화학반응과 다른 분자이동을 일으킨다는 결론을 얻었다.
* 마이크로미터 지름의 미세한 관 안에서 액체 흐름을 조종해 시료를 처리하는 칩.

이번 연구는 기존의 화학반응의 에너지 개념을 다시 쓴 연구로, 화학반응에서 생기는 에너지가 물질을 이동시키는 기계적 에너지로 바뀐다는 것을 최초로 제시했다. 이는 분자 단위에서 동력이 필요한 초소형 로봇, 약물 전달 연구에 쓰일 수 있을 것으로 기대된다.

스티브 그래닉 단장은 “이번 실험에서 확인한 반응은 플라스틱 생산과 의생명공학 등에 일반적으로 쓰이는데, 여기서 분자 움직임을 조절하는 것은 경제적으로 큰 가치가 있다”고 설명했다. 후안 왕 연구위원은 “자연에 존재하는 스스로 움직이는 물질들을 이해하고, 정교한 초소형 기계를 만드는 데 기여할 수 있다” 고 말했다.

그림설명

▲ [그림 1] 화학반응 모식도와 각 분자의 확산계수(A) 실험에서 사용된 Click 반응의 반응식. 촉매가 관여한다. (B) 자세한 반응 과정. (C) 핵자기공명영상법으로 관찰한 각 반응물과 촉매의 확산 계수 변화. 반응 시간에 따라 확산계수 감소 양상이 뚜렷하게 구별된다.

▲ [그림 2] 촉매 농도 기울기를 가진 미세유체칩과 용매 이동(A) 오른쪽으로 갈수록 촉매 농도가 높고, 반응물과 용매(표지) 농도는 일정한 미세유체칩 실험환경. (B) A에서 생기는 용매 농도 구배. 촉매 농도가 낮은 왼쪽으로 몰린다. (C) 대조군 실험으로 반응물 농도 구배를 주어, 오른쪽에서 반응이 더 많이 일어나는 환경을 만들었다. 그러나 촉매 구배에서 나타났던 용매 농도 구배는 없다.

▲ [그림 3] 6가지 화학반응의 확산 비교서로 다른 화학반응의 반응에너지에 따른 용매의 확산계수 변화. 파랑, 빨강, 초록 점은 촉매 반응으로, 서로 일치하는 가파른 그래프를 그린다. 반면 주황, 분홍, 하양은 촉매가 없는 일반 반응으로, 완만한 그래프를 그린다.