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IBS, 전극만으로 분자 반응성 자유자재 조절 성공

등록 2020.10.09 03:01:00

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KAIST와 공동연구로 여러 작용기 대체할 '만능 작용기' 개발

간편한 화학반응 조절…사이언스誌에 논문 게재

[대전=뉴시스] 만능 작용기의 모식도. IBS 백무현 부연구단장은 한상우 KAIST 화학과 교수팀과 공동연구를 통해 전극만 이용해 분자의 반응성을 자유자재 조절할 수 있는 '만능 작용기'를 개발했다.

[대전=뉴시스] 만능 작용기의 모식도. IBS 백무현 부연구단장은 한상우 KAIST 화학과 교수팀과 공동연구를 통해 전극만 이용해 분자의 반응성을 자유자재 조절할 수 있는 '만능 작용기'를 개발했다.

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 기초과학연구원(IBS)은 분자활성촉매반응연구단 백무현 부연구단장(KAIST 화학과 교수) 연구팀이 한상우 KAIST 화학과 교수팀과 공동연구를 통해 전압을 가하는 것만으로 분자의 반응성을 조절할 수 있는 '만능 작용기'를 개발했다고 9일 밝혔다.

이번 연구에서 공동연구진은 분자의 전기적 성질을 결정하는 원자단인 작용기를 전극이 대신할 수 있음을 증명하고 전극을 활용해 다양한 화학반응을 제어하는데 성공했다.

여러 작용기 역할을 대신할 수 있는 만능 작용기를 개발했다는 평을 받는 이번 연구성과는 이날 오전 3시(한국시간) 세계 최고 권위의 학술지 사이언스(Science, IF 41.845)에 게재됐다.(논문명:Electro-inductive effect: electrodes as functional groups with tunable electronic properties)

작용기는 전자를 끌어당기거나 밀어내는 효과를 통해 분자의 전기적 특성을 조절한다. 에탄올(C2H5OH)의 하이드록시기(-OH), 아세톤(CH3-CO-CH3)의 카보닐기(-CO-) 등이 작용기에 해당한다.

전자밀도 분포를 조절해 분자의 반응성을 결정하는 것으로 이는 화학반응의 평형과 속도에 영향을 미친다.

기존에 밝혀진 작용기는 하나의 작용기가 정해진 특정 전기적 효과만을 줄 수 있어 분자의 전기적 성질을 세밀하게 조절하기 어려웠다.

또 복잡한 분자는 여러 단계를 거쳐 합성되기 때문에 각 반응마다 최적 효과를 줄 수 있는 작용기를 활용하는 것은 사실상 불가능하다.

이번에 연구진은 여러 종류의 작용기 대신 하나의 작용기만으로 분자의 반응성을 자유자재로 조절할 수 있는 새로운 방법을 찾아냈다.
[대전=뉴시스] 기존 작용기의 역할과 만능 작용기의 구동 원리. IBS가 이번 연구에서 제시한 '만능 작용기(B)'는 전압 조절을 통해 기존 여러 종류 작용기(A)의 역할을 대신할 수 있다.

[대전=뉴시스] 기존 작용기의 역할과 만능 작용기의 구동 원리. IBS가 이번 연구에서 제시한 '만능 작용기(B)'는 전압 조절을 통해 기존 여러 종류 작용기(A)의 역할을 대신할 수 있다.

연구진이 제작한 작용기는 금 전극에 분자를 부착한 형태로 전극에 전압을 가하면 분자 내 전자밀도 분포에 미세한 차이가 발생하고 이로 인해 분자의 전기적 성질에 변화가 생기는 원리를 활용했다.

 전압을 바꿔가며 분자의 전기적 성질 변화를 관찰한 결과, 분자는 전극에 음(–) 전압이 걸렸을 때 전자가 풍부해지고 양(+) 전압이 걸렸을 때 전자가 부족해지는 것으로 확인됐다.

또 대표적인 유기화학 반응을 통해 전극에 전압을 걸어주는 것만으로도 여러 작용기의 효과를 낼 수 있어 기존 작용기의 효과적인 대체재로 사용될 수 있다.
 
이번 연구는 80여 년간 널리 사용돼 온 전통적인 화학적 실험법을 대체할 수 있는 새로운 아이디어를 제시했다는 학술적 의미가 크다.

백무현 부연구단장은 "하나의 작용기는 하나의 전기적 효과만 줄 수 있다는 고정관념을 깼다"며 "이번 연구에서 제시한 만능 작용기는 화학반응이 진행되고 있는 도중에도 분자의 반응성을 바꿀 수 있다는 장점이 있다"고 설명했다.

그는 또 "다양한 화학반응을 간단하게 조절할 수 있는 독창적인 아이디어를 제시한 것으로 학계의 다양한 후속연구를 견인할 수 있을 것"이라면서 "해당 산업에 적용할 수 있는 만능 작용기 개발을 위한 후속연구를 진행할 계획이다"고 말했다.


◎공감언론 뉴시스 [email protected]

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