무너진 화학상식 "반응에너지는 분자를 움직인다" - 아시아경제

scienceuna.blogspot.com

반응에너지 기계적 에너지로 전환
화학반응에너지 열로 방출된다는 상식 무너져

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.

[아시아경제 황준호 기자] 일반적인 화학 반응 뒤 반응물의 분자가 더 빠르게 움직인다는 연구 결과가 나왔다. 화학 반응시 발생하는 에너지가 분자 움직임에 영향을 주지 못한다는 상식을 뒤집는 연구다. 미시 세계에서 동력이 필요한 초소형 로봇, 약물 전달 연구에 기여할 것으로 예상된다. 스티브 그래닉 기초과학연구원 첨단연성물질 연구단 단장, 후안 왕 연구위원은 이같은 연구 결과가 30일(현지시간) 국제 학술지 사이언스에 실렸다고 밝혔다.

화학반응 에너지 분자를 이동시킨다

(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.

연구팀은 일반적인 화학 반응 후에 분자가 추진력을 얻어서 주변 분자들과 부딪히면서 무작위적으로 움직인다는 사실을 확인했다.

분자는 화학반응을 할 때 원자들 사이의 기존 결합을 끊고 새 결합을 형성하면서 다른 물질로 바뀐다. 이 때 발생하는 반응에너지는 국소적인 열 형태로 발산돼 사라진다(열방출 이론)는 게 정설이다. 화학 반응이 분자 움직임에는 영향을 주지 않는다는 것이다.

하지만 연구팀은 화학반응에 따른 분자 이동을 추적해 분자의 확산이 거시적으로 커진다는 것을 발견하고 이를 분석해 반응에너지가 기계적 에너지로 전환된다는 사실을 입증했다.

연구팀은 용매 속에서 일어나는 화학반응을 핵자기공명으로 관찰해 각 반응물 분자의 움직임을 추적했다. 실험 결과 반응 뒤 분자의 확산이 빨라지며, 이러한 확산은 열 방출로 대류가 일어났을 때의 분자 움직임 시뮬레이션으로 설명되지 않는다는 것을 확인했다. 반응물이 열 이외에 다른 동력으로 움직인다는 것을 확인한 것이다.

촉매반응 후 분자가 더 활동적

서로 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.

또한 연구팀은 촉매가 관여하는 반응이 일반 화학반응과 전혀 다른 형태의 분자 확산을 일으킨다는 것도 밝혀냈다. 서로 다른 15가지 화학반응에서 나타나는 확산 속도를 분석했는데, 촉매반응에 따른 분자의 확산 속도가 촉매가 없는 반응보다 훨씬 높다는 것을 확인했다.

연구팀은 촉매 농도가 균일하지 않은 미세유체칩을 준비하고 이 안에서 용매의 움직임을 관찰했다. 이때 촉매 농도가 작은 쪽으로 용매가 이동했는데 반응물 농도 기울기에서는 이런 이동이 발생하지 않았다. 이는 촉매 자체가 일반 화학반응과 다른 분자의 이동을 일으킨다는 것을 말한다는 게 연구팀의 설명이다. 미세유체칩은 마이크로미터 지름의 미세한 관 안에서 액체 흐름을 조종해 시료를 처리하는 칩을 말한다.

연구팀은 이번 연구가 의료용 초소형 로봇의 동력으로 쓰이거나 약물 전달 연구에 활용될 수 있을 것으로 예상했다.

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.