'열 방출 이론' 뒤집었다···기존 상식 깬 분자 움직임 발견

[이데일리 강민구 기자] 일반 화학반응에서 발생하는 에너지가 열로 모두 방출된다는 기존 상식을 뒤집는 연구결과가 나왔다. 화학반응 에너지를 기계 동력을 이용할 가능성을 제시한 것으로 미래 나노로봇과 스마트 물질 등에 활용할 수 있다.

기초과학연구원(IBS)은 스티브 그래닉 첨단연성물질 연구단장과 후안 왕 연구위원이 화학반응 뒤에 분자가 추진력을 얻어 분자끼리 부딪혀 생기는 무작위 움직임을 의미하는 ‘확산’이 가속되는 것을 알아냈다고 31일 밝혔다.

화학반응 모식도와 각 분자의 확산계수 변화.<자료=기초과학연구원>

분자는 화학반응 시 원자 사이의 기존 결합을 끊고 새 결합을 형성하면서 다른 물질로 바뀐다. 이 때 발생하는 반응에너지는 국소적인 열 형태로 발산돼 사라지고, 분자 움직임에는 영향을 주지 않는다고 알려졌다.

연구팀은 화학반응 시 분자들의 이동을 추적해 반응 뒤 분자 이동성이 증가하는 것을 발견하고, 반응에너지가 기계적 에너지로 전환된다는 사실을 확인했다. 이어 액체 용매 속 화학반응에서 증가하는 분자 움직임을 관찰하고, 이 움직임이 기존의 열 방출 이론으로 설명되지 않는 동력으로 발생했다는 것을 증명했다.

우선 용매 속에서 일어나는 화학반응을 핵자기공명으로 관찰해 각 반응물 분자의 움직임을 추적했다. 실험 결과 반응 뒤 분자의 확산이 빨라지고, 반응 과정에서 생기는 각 분자의 확산 속도가 서로 다르게 나타났다. 이는 분자가 열 이외에 다른 동력이 있다는 것을 의미한다.

연구팀은 촉매가 관여하는 반응이 일반 화학반응과 전혀 다른 분자 이동을 만드는 것도 알아냈다.

서로 다른 15개 화학반응에서 나타나는 확산 속도를 분석한 결과, 촉매반응과 촉매 없는 반응의 확산 양상이 다르게 나타났다.

연구팀이 촉매 농도가 불균일한 미세유체칩 안에서 용매 움직임을 관찰하자 촉매 농도가 작은 쪽으로 용매가 이동했다. 반면 반응물 농도 기울기에서는 이러한 이동이 일어나지 않았다. 즉 반응 횟수 때문이 아니라 촉매 자체가 일반 화학반응과 다른 분자이동을 일으킨다는 것을 뜻한다.

이번 연구로 기존 화학반응의 에너지 개념을 다시 쓰게 됐다. 화학반응에서 생기는 에너지가 물질을 이동시키는 기계적 에너지로 바뀐다는 것을 처음 제시한 것이다.

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

연구 결과는 국제 학술지 ‘사이언스지(Science)’에 31일자로 게재됐다.