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소리가 조절하는 화학반응···눈으로 관찰한다

김기문 IBS 연구팀, 소리로 분자 거동 제어
향후 생명활동 연구에 영향 줄 것으로 기대
소리로 산화‧환원 반응 조절 실험  스피커에서 나오는 소리를 이용하여 생성된 다양한 패턴들. 상하로 흔들리는 접시 안의 염료 용액은 물결로 인하여 구역별로 서로 다른 화학적 환경을 가지게 된다. 위 사진에서는 파란색의 염료 분자(환원된 바이올로젠)가 산소를 만나 무색(산화된 바이올로젠)으로 바뀌는 과정에서 소리를 적용하여 생성된 색깔 패턴들을 확인할 수 있다. 패턴의 모양은 소리의 종류나 접시의 모양에 따라 조절할 수 있다.소리로 산화‧환원 반응 조절 실험 스피커에서 나오는 소리를 이용하여 생성된 다양한 패턴들. 상하로 흔들리는 접시 안의 염료 용액은 물결로 인하여 구역별로 서로 다른 화학적 환경을 가지게 된다. 위 사진에서는 파란색의 염료 분자(환원된 바이올로젠)가 산소를 만나 무색(산화된 바이올로젠)으로 바뀌는 과정에서 소리를 적용하여 생성된 색깔 패턴들을 확인할 수 있다. 패턴의 모양은 소리의 종류나 접시의 모양에 따라 조절할 수 있다.

소리는 식물의 생장, 사육, 질병 치료 등에 폭넓게 사용된다. 하지만 소리는 에너지가 낮아 화학반응에는 이용할 수 없다는 것이 현재까지의 정설이었다.

IBS(기초과학연구원, 원장 노도영)는 김기문 복잡계 자기조립 연구단장팀이 기존 통념과 달리 소리가 물리현상뿐만 아니라 화학반응까지 조절할 수 있음을 규명, 그 결과를 시각화하는 데 성공했다고 11일 밝혔다. 

연구진은 물 움직임에 의한 공기 용해도 변화에 관심을 뒀다. 소리로 물결 패턴을 제어해 용해도를 조절한다면, 한 용액 내에서 위치에 따라 서로 다른 화학적 환경을 조성할 수 있을 것이라는 이유에서다.

연구진은 이를 시각화하기 위해 스피커 위에 접시를 올려둔 뒤, 소리가 접시 안 물에 어떤 영향을 주는지 관찰했다. 소리가 만들어낸 미세한 상하 진동으로 접시 안에는 동심원 모양의 물결이 만들어졌다. 동심원 사이 간격은 주파수가 높아질수록 좁아졌으며, 그릇 형태에 따라 다른 패턴을 나타냈다. 소리 주파수와 그릇 형태에 따라 나타나는 물결 패턴을 조절할 수 있음을 확인한 것이다.
 
이후 연구진은 지시약을 이용해 소리가 만들어낸 물결이 화학반응에도 영향을 미치는지 분석했다. 파란색이지만 산소와 반응하면 무색으로 바뀌는 염료(바이올로젠 라디칼)를 접시에 담은 뒤, 스피커 위에 얹은 후 소리를 재생했다. 물결에서 움직이지 않는 마디 부분은 파란색을 유지하는 반면, 주기적인 상하운동을 하는 마루와 골(가장 높은 부분과 낮은 부분)은 산소와 반응하며 무색으로 바뀌었다. 공기와 접촉이 활발해 산소가 더 많이 용해되기 때문이다.

또한 연구진은 산성도(pH)에 따라 색이 변하는 지시약인 BTB 용액을 이용해 동일한 실험을 진행했다. BTB 용액은 염기성에서는 파란색, 중성에서 녹색, 산성에서 노란색을 띤다. 연구진은 접시에 담긴 파란색 BTB 용액을 스피커 위에 놓고 소리를 들려주며 이산화탄소에 노출시켰다. 이산화탄소가 물에 녹으면 용액이 산성으로 변하는데 소리를 들려주자 용액 속에 파란색, 녹색, 노란색이 구획 별로 나뉘어 나타났다. 물결로 인해 기체 용해도가 부분적으로 달라지며 산성, 중성, 염기성이 공존하는 용액이 만들어진 것이다.

연구를 주도한 황일하 연구위원은 "용액의 산성도는 전체적으로 동일하다는 상식을 뒤엎은 흥미로운 결과"라며 "소리로 산화·환원 또는 산·염기 반응을 일으켜 물리적 가림막 없이도 용액 내 화학적 환경을 서로 다르게 구획할 수 있음을 보여줬다"고 설명했다.

실제 자연과 같은 비평형상태에서 소리로 화학반응을 조절할 수 있다는 것을 밝힌 건 이번이 처음이다. 해당 연구는 소리가 생체 내 화학반응에 미치는 영향으로 확장돼 조립·변화하는 생명활동 이해를 도울 것으로 기대된다.

김기문 단장은 "동화 '피리 부는 사나이'에서 소리를 이용해 쥐의 움직임을 통제했듯, 우리 연구진은 소리를 이용해 분자 거동을 조절했다"며 "화학반응과 유체역학을 접목해 발견한 새로운 현상으로 소리를 이용한 다양한 화학반응 조절 등 후속 연구를 진행할 계획"이라고 말했다.

연구결과는 국제학술지 네이처 케미스트리(Nature Chemistry, IF 21.687) 11일자(한국시간)에 실렸다. 한편 본 연구 중 촬영한 이미지는 제5회 IBS Art in Science 전시회 '소리 붓으로 그린 그림'이라는 작품으로 소개되기도 했다.

소리 붓으로 그린 그림(Art in Science 출품작). <사진=IBS 제공>소리 붓으로 그린 그림(Art in Science 출품작). <사진=IBS 제공>
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