일부 농가에서는 식물에게 음악을 들려주는 ‘음악농법’을 쓴다. 음파가 세포벽에 물리적 자극을 주어 광합성 등 대사를 증진시키는 원리이다. 식물의 생장뿐 아니라 가축의 사육, 질병 치료 등에도 소리가 폭넓게 사용된다. 하지만 소리는 에너지가 낮아 화학반응에는 이용할 수 없다는 것이 현재까지의 정설이었다.

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 복잡계 자기조립 연구단 김기문 단장(POSTECH 화학과 교수) 연구팀은 기존 통념과 달리 소리가 물리현상뿐만 아니라 화학반응까지 조절할 수 있음을 규명하고, 그 결과의 시각화에 성공했다.

1831년 마이클 패러데이가 수직 진동하는 접시의 물이 복잡한 패턴을 만드는 현상을 첫 보고한 이후, 물리학자들은 파장에 의한 물 움직임을 연구해왔다. 반면 물의 움직임이 화학반응에 어떻게 영향을 미칠지를 연구한 화학자들은 드물었다. 전자레인지의 마이크로파나 초음파에 비해, 파장이 긴 소리는 에너지가 작아 분자의 변화에 어떤 영향도 미치지 못한다는 것이 보편적인 견해여서 화학연구의 대상으로 잘 고려되지 않았다.

연구진은 물의 움직임에만 주목한 기존 연구와 달리 물의 움직임에 의한 공기의 용해도 변화에 관심을 두었다. 소리로 물결의 패턴을 제어하여 용해도를 조절한다면, 한 용액 내에서 위치에 따라 서로 다른 화학적 환경을 조성할 수 있을 것이라는 기발한 아이디어가 발단이 되었다. 이어서 연구진은 이를 시각화할 수 있는 실험을 설계했다.

우선, 연구진은 스피커 위에 페트리 접시를 올려둔 뒤, 소리가 접시 안의 물에 어떤 영향을 주는지 관찰했다. 소리가 만들어낸 미세한 상하 진동으로 인해 접시 안에는 동심원 모양의 물결이 만들어졌다. 동심원 사이의 간격은 주파수가 높아질수록 좁아졌으며, 그릇의 형태에 따라 다른 패턴을 나타냈다. 소리의 주파수와 그릇의 형태에 따라 나타나는 물결의 패턴을 조절할 수 있음을 확인한 것이다.

이후 연구진은 지시약을 이용해 소리가 만들어낸 물결이 화학반응에도 영향을 미치는지 분석했다. 먼저, 파란색이지만 산소와 반응하면 무색으로 바뀌는 염료(바이올로젠 라디칼)를 접시에 담은 뒤, 스피커 위에 얹은 후 소리를 재생했다. 물결에서 움직이지 않는 마디 부분은 파란색을 유지하는 반면, 주기적인 상하운동을 하는 마루와 골(가장 높은 부분과 낮은 부분)은 산소와 반응하며 무색으로 바뀌었다. 공기와 접촉이 활발하여 산소가 더 많이 용해되기 때문이다.

또한, 산성도(pH)에 따라 색이 변하는 지시약인 BTB 용액을 이용해 동일한 실험을 진행했다. BTB 용액은 염기성에서는 파란색, 중성에서 녹색, 산성에서 노란색을 띠는 지시약이다. 연구진은 접시에 담긴 파란색 BTB 용액을 스피커 위에 놓고 소리를 들려주며 이산화탄소에 노출시켰다. 이산화탄소가 물에 녹으면 용액이 산성으로 변하는데, 소리를 들려주자 용액 속에 파란색, 녹색, 노란색이 구획별로 나뉘어 나타났다. 물결로 인해 기체의 용해도가 부분적으로 달라지며 산성, 중성, 염기성이 공존하는 용액이 만들어진 것이다.

연구를 주도한 황일하 연구위원은 “용액의 산성도는 전체적으로 동일하다는 상식을 뒤엎은 흥미로운 결과”라며 “소리로 산화․환원 또는 산․염기 반응을 일으켜 물리적 가림막 없이도 용액 내 화학적 환경을 서로 다르게 구획할 수 있음을 보여줬다”고 설명했다.

지금까지 평형상태에서 고주파로 화학반응을 조절하려는 연구가 시도된 적은 있지만, 실제 자연과 같은 비평형상태에서 소리를 이용하여 화학반응을 조절할 수 있다는 것을 밝힌 건 이번이 처음이다. 또한 이 연구는 소리가 생체 내 화학반응에 미치는 영향으로 확장되어, 복잡다단하게 조립․변화하는 생명활동의 이해를 도울 것으로도 기대된다.

김기문 단장은 “동화 <피리 부는 사나이>에서 소리를 이용해 쥐의 움직임을 통제했듯, 우리 연구진은 소리를 이용해 분자의 거동을 조절했다”며 “화학반응과 유체역학을 접목해 발견한 새로운 현상으로 소리를 이용한 다양한 화학반응 조절 등 후속 연구를 진행할 계획”이라고 말했다.

연구결과는 국제학술지 네이처 케미스트리(Nature Chemistry, IF 21.687) 8월 11일자(한국시간)에 실렸다. 한편, 본 연구 중에 촬영한 이미지는 제5회 IBS Art in Science 전시회에 ‘소리 붓으로 그린 그림’이라는 작품으로 소개되기도 했다.

그림설명

▲ [그림 1] 소리를 이용한 화학반응 조절 시스템연구진은 소리에 의한 유체의 떨림 현상을 이용해 화학반응을 조절할 수 있는 시스템을 개발했다. 스피커 위에 지시약이 담긴 페트리 접시를 올린 뒤, 소리를 들려주며 변화를 관찰했다. 그 결과 용액과 기체의 접촉면에서 일어나는 기체의 용해 현상으로 인해 산화‧환원 반응(좌)이나 산‧염기 반응(우)을 조절할 수 있음을 확인했다. 소리를 들려주지 않을 때 무작위한 패턴을 보이던 용액은, 소리의 주파수에 따라 패턴을 형성했다.

▲ [그림 2] 소리로 산화‧환원 반응 조절 실험스피커에서 나오는 소리를 이용하여 생성된 다양한 패턴들. 상하로 흔들리는 접시 안의 염료 용액은 물결로 인하여 구역별로 서로 다른 화학적 환경을 가지게 된다. 위 사진에서는 파란색의 염료 분자(환원된 바이올로젠)가 산소를 만나 무색(산화된 바이올로젠)으로 바뀌는 과정에서 소리를 적용하여 생성된 색깔 패턴들을 확인할 수 있다. 패턴의 모양은 소리의 종류나 접시의 모양에 따라 조절할 수 있다.

▲ [그림 3] BTB 지시약과 소리를 이용하여 생성된 패턴초등학교 과학교과서에는 BTB 용액을 날숨 속의 이산화탄소에 의해 노란색으로 변화시키는 실험이 나온다. 이처럼 BTB 지시약은 염기성에서 파란색, 중성에서 녹색, 그리고 산성에서 노란색을 나타낸다. 위 실험에서는 페트리 접시에 담긴 BTB 염기성 용액(왼쪽, 파란색)을 이산화탄소와 소리에 노출시켜서 BTB 산성 용액(오른쪽, 노란색)으로 변화시키는 과정에서 생성된 색깔 패턴의 사진이다. 이산화탄소가 물에 녹아 용액이 산성으로 변하는 과정 중 소리를 이용해 유체의 흐름과 기체의 용해를 조절하여 산성, 중성, 염기성이 한 용액에서 서로 섞이지 않고 구획을 나누어 동시에 존재하는 상황을 재현하였다.

▲ <소리 붓으로 그린 그림>
황일하 作, 《2019 IBS Art in Science 展》, Ⓒ IBS 복잡계 자기조립 연구단