전압으로 분자의 특성을 조절한다.. '만능촉매' 기대

기존 여러 작용기 대체할 '만능 작용기' 개발
간편해진 화학반응 조절 도구 제시

만능 작용기의 모식도

[아시아경제 황준호 기자] 전압을 가하는 것만으로 분자의 반응성을 조절할 수 있다는 연구 결과가 나왔다. 다양한 분자의 작용기를 전극이 대신할 수 있다는 것으로, 다양한 화학산업에 적용 가능한 '만능 촉매' 개발에 기여할 연구가 될 것으로 예상된다.

백무현 한국과학기술원 화학과 교수(기초과학연구원 분자활성 촉매반응 연구단 부연구단장)과 같은 과 한상우 교수는 공동 연구를 통해 '전압만으로 분자의 반응성을 조절할 수 있다'는 내용의 연구논문이 국제 학술지인 사이언스에 9일(현지시간) 실렸다고 밝혔다.

전압으로 분자의 반응성 조절한다

기존 작용기의 역할과 만능 작용기의 구동 원리

연구팀은 전극에 전압을 주어 다양한 화학반응 작용기를 대체하고, 분자의 반응성을 조절할 수 있다는 사실을 처음으로 밝혀냈다.

작용기는 유기화합물의 성질을 결정하는 원자단을 말한다. 에탄올(C2H5OH)의 하이드록시기(-OH), 아세톤(CH3-CO-CH3)의 카보닐기(-CO-) 등이 이에 해당한다. 작용기는 전자를 끌어당기거나, 밀어내는 효과를 통해 분자의 전기적 특성을 조절한다. 다시 말해 전자밀도를 조절해 분자의 반응성을 조절한다.

연구팀은 전압을 통해 전자밀도를 조절하는 장치가 반응기를 대체할 수 있음을 입증했다. 연구팀은 금 전극에 유기분자를 부착하고 전압을 가해 그 변화를 살폈는데, 음(-) 전압을 걸면 전극이 전자를 끌어당기는 작용기 역할을 한다는 것을 알아냈다. 전극에 부착된 유기 분자의 반응 부위 주변에 전자밀도가 높아진 것이다. 반대로, 전극에 양(+) 전압을 걸면, 전극이 '전자 끄는 기' 효과를 내어 전자밀도가 낮아지는 효과를 준다는 것을확인했다.

다양한 산업에 적용 가능한 만능 촉매 나올까

백무현 부연구단장(오른쪽)과 원중희 연구원(왼쪽)이 실험을 진행하고 있다.

이는 지난 80여년간 지켜온 작용기 공식을 깨는 연구 결과다. 1937년 미국의 화학자인 루이스 플랙 하메트가 작용기의 종류에 따른 분자의 전기적 성질 변화를 정량화한 공식을 만든 뒤, 80여 년 동안 화학반응을 이해하는데 이 공식이 활용됐다.

연구팀 측은 "하나의 작용기는 하나의 전기적 효과만 줄 수 있다는 고정관념을 깨는 연구"라며 "이번 연구에서 제시한 만능 작용기는 화학반응이 진행되고 있는 도중에도 분자의 반응성을 바꿀 수 있다는 장점이 있다"고 밝혔다.

백무현 부연구단장은 "다양한 화학반응을 간단하게 조절할 수 있는 독창적인 아이디어를 제시한 것으로 학계의 다양한 후속연구를 견인할 수 있을 것"이라며 "산업 규모에서도 적용할 수 있는 ‘만능 작용기’ 개발을 위한 후속연구를 진행할 계획"이라고 말했다.

황준호 기자 rephwang@asiae.co.kr