김기문 단장팀, 공기가 물에 얼마나 잘 녹느냐에 따른 반응 차이 규명
"한 용액에서 여러 반응 동시에 가능한 시스템·신물질 개발에 활용 기대"

소리로 화학반응을 조절해 얻은 용액 패턴. 제5회 IBS 아트 인 사이언스(Art in Science)에 ‘소리 붓으로 그린 그림’이란 작품명으로 출품했다./IBS 제공

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국내 연구진이 소리로도 화학반응을 조절할 수 있다는 사실을 밝혀냈다. 이론화학 분야는 물론 신소재 개발 등에 응용될 것으로 기대된다.

김기문 기초과학연구원(IBS) 복잡계자기조립연구단장 연구팀은 기존 통념과 달리 소리가 화학반응까지 조절할 수 있음을 세계 최초로 규명하고 실제 실험을 통해 확인했다고 11일 밝혔다. 연구성과는 네이처 자매지인 ‘네이처 화학(Nature Chemistry)’에 이날 게재됐다.

화학반응은 원자들이 서로 떨어지고 재결합해 새로운 분자를 만드는 과정으로, 비교적 높은 에너지가 필요하다. 빛, 열, 전기장, 자기장 등 높은 에너지를 전달하는 매개체로는 화학영향을 줄 수 있지만 공기의 떨림으로 발생하는 소리는 에너지가 낮아 그러지 못한다는 게 학계의 견해였다.

연구팀은 물질들이 물에 녹은 채 서로 반응하는 경우에는 소리가 영향을 미친다는 걸 발견했다. 소리로 물에 진동을 일으키면 파도와 같은 물결파가 발생한다. 이때 마루와 골(물결의 가장 높은 부분과 낮은 부분)은 공기와의 접촉이 활발해 공기가 더 많이 녹아든다. 물속에 공기가 얼마나 많이 녹느냐에 따라 산소에 의한 산화 환원 반응이나 이산화탄소에 의한 산 염기 반응의 정도가 달라진다는 것이다.

물을 담은 접시를 스피커 위에 올려두고 소리 재생 유무에 따른 화학반응을 알아보는 실험. 소리로 발생하는 물결파의 부분별로 반응 정도에 따라 색깔 차이가 생긴다./IBS 제공

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연구팀은 물을 담은 접시를 스피커 위에 올려놓고 화학반응 실험을 진행했다. 원래 파란색이지만 산소와 반응하면 무색으로 바뀌는 물질 ‘바이올로젠 라디칼’을 물에 섞은 뒤 소리를 재생했다. 그 결과 산소가 더 많이 녹아드는 마루와 골 부분은 활발한 반응이 이뤄져 무색으로 바뀐 반면 나머지 부분은 반응이 더뎌 파란색을 유지했다.

또다른 실험에서는 ‘브로모티몰블루(BTB)’ 물질을 물에 녹여 소리를 재생했다. BTB 용액은 이산화탄소가 많은 산성 환경에서는 노란색, 이산화탄소가 적은 염기성 환경에서는 파란색으로 바뀐다. 앞선 실험과 비슷하게 물결파의 마루와 골 부분에서는 이산화탄소 반응이 활발해져 노란색이 됐지만 나머지 부분에서는 파란색이나 원래 색인 녹색을 띠었다.

산화 환원 반응과 산 염기 반응은 현재 산업 현장에서도 이용되고 있는 화학반응 종류인 만큼 소리가 주요 화학공정을 제어하는 또 하나의 변수가 될 수도 있을 전망이다

황일하 연구위원은 "아직 연구 초기단계지만, 향후 한 용액 안에서 분리막 없이 동시에 여러 화학반응을 일으키게 하는 복잡한 시스템이나 새로운 물질 개발에 활용될 수 있을 것"이라며 "소리가 몸속의 화학반응에 미치는 영향 등에 대한 후속 연구도 진행할 계획"이라고 말했다.

김윤수 기자(kysme@chosunbiz.com)

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