기초과학

나노 반응기에서 번개급 전기장 정밀 제어 화학반응 달성

발행일 : 2019 / 06 / 26

최근, 샤먼(廈門)대학/란저우(蘭州)대학 공동 연구팀은 세계 최초로 1억 V/m의 고강도 방향성 전기장을 이용하여 나노 규모 반응기에서 단일 분자의 화학반응 속도에 대한 선택성 제어를 구현함으로써 미래 청정에너지 기반 친환경 화학합성에 새 아이디어를 제공했다. 해당 연구성과는 “Science Advances”에 온라인으로 게재됐다.

번개는 자연계의 신기한 현상으로서 거대 에너지를 보유하고 있다. 번개의 국지적 전기장 강도는 100만 V/m 이상에 달한다. 이러한 강한 전기장 조건에서 일련의 화학반응이 발생할 수 있다. 따라서 과학자들은 강한 방향성 전기장을 제조하여 화학반응을 정밀 제어함으로써 인류를 위해 서비스를 제공하는 방안을 모색하고 있다.

화학반응에 대한 선택성 제어를 통해 친환경, 경제적인 화학품 생산을 구현할 수 있다. 방향성 전기장 촉매작용은 고효율 제어 능력을 보유한 친환경 기술이다. 이론적 연구에 의하면 외부 자기장 방향과 화학반응에서 활성화 화학결합 방향의 협각을 변화시킬 경우 선택적으로 화학반응을 제어할 수 있기에 고효율 청정 친환경 화학합성을 달성할 수 있다. 하지만 해당 이론 예측은 실험적 검증이 되지 않았다.

연구팀은 세계 최초로 고강도 방향성 전기장 조건에서 화학반응속도를 연구할 수 있는 정밀 과학기기 기술을 개발했다. 연구팀은 해당 기기를 이용해 1개 유기분자를 일정한 방향으로 2개 원자급 규모의 전극 사이에 연결시켜 화학반응에서 분자의 방향성 제어 문제를 해결했다. 해당 과정에서 연구팀은 단일 분자 에너지에서 생성된 강도가 번개의 전기장 강도보다 2~3개 수량급이 높은 고강도 방향성 전기장을 획득했다. 또한 1개 나노 규모의 반응기에서 가해진 고강도 방향성 전기장은 전기장의 반응축 방향에서 분량 화학반응이 존재함과 아울러 반응속도 면에서 1개 수량급을 초과하는 수준으로 뚜렷하게 향상됨을 발견했다.