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분자 수준에서 작동하는 ‘분자 기계’와 같은 초소형 기계의 동력이 될 수 있는 새로운 에너지가 발견됨.

기초과학연구원(IBS) 스티브 그래닉 첨단연성물질연구단장 연구팀은 화학반응에서 발생하는 에너지가 모두 열로 방출된다는 상식을 뒤집고 화학반응 뒤 분자가 동력을 얻는다는 사실을 발견했다고 31일 밝힘.

화학반응은 분자를 이루는 원자들이 기존 결합을 끊고 새로운 결합으로 묶이는 과정임. 자연스럽게 이뤄지는 화학반응은 결합에 필요한 에너지를 낮추는 방향으로 이루어짐. 반응 전 결합에 필요한 에너지가 반응 후 결합에 필요한 에너지 보다 더 큼. 때문에 화학반응이 끝나면 일부 에너지가 원자 결합에 사용되지 않고 남게 됨. 이제껏 화학 이론에서는 이 잉여 에너지가 모두 열로 바뀌어 방출되는 것으로 이해됐음.

하지만 연구팀이 ‘핵자기공명영상’으로 화학반응을 관찰한 결과, 잉여 에너지가 100% 열로 바뀌는 게 아니라 일부는 기계적 에너지(동력)로 바뀌어 주변 분자들을 떠미는 것으로 나타났음.

연구팀은 더 확실한 관찰을 위해 촉매를 달리해 서로 다른 크기의 잉여 에너지를 내는 15가지 화학반응을 비교했음. 그 결과 잉여 에너지가 클수록 주변 분자들이 떠밀려 확산되는 속도가 빨라지는 것으로 확인됐음. 잉여 에너지가 커질수록 그중 일부가 변환되는 동력도 커진다는 의미임.

이 발견은 기존의 화학 이론을 뒤집어 기초이론 분야에 의미가 있을 뿐만 아니라, 차세대 공학 분야에서도 분자 기계 등 초소형 기계의 동력원을 확보할 수 있다는 기대로 이어질 수 있음. 2016년 노벨화학상 연구 주제로 널리 알려진 분자 기계는 분자 단위로 조작되는 초소형 기계로, 아직 분자를 따로 움직일 수 있는 동력은 마땅히 제시되지 않은 상황임. 향후 분자 기계가 실현되면 체내 약물전달, 플라스틱 생산 등에 활용될 전망임.

연구팀은 "의생명공학 등에서 분자 움직임을 조절하는 것은 경제적으로 큰 가치가 있다"며 "정교한 초소형 기계를 만드는 데 기여할 수 있다"고 말함.

본 연구 성과는 ‘Science’ 지에 게재됨.