[표지로 읽는 과학] 산화환원 반응 이해 높이는 '바늘'의 마법

사이언스 제공.

빨간색과 주황색, 노란색을 띠는 육각형 형태 고리가 여러개 모여 한 방향으로 회전하는 듯한 인상을 주는 이미지가 이번주 사이언스 표지를 장식했다. 얼핏 보기엔 외부 자극을 받은 분자들이 화학 반응을 일으키는 모습을 형상화한 것처럼 보인다. 

이미지에서 느낄 수 있는 외부 자극은 원자현미경(SPM)의 탐침에서 가해지는 전압 펄스다. 광학현미경과 전자현믹경에 이어 개발된 3세대 현미경은 원자현미경은 원자 지름의 수십분의 1까지 측정할 수 있어 화학 시료의 특성을 파악하는 데 유용하게 쓰인다. 원자현미경은 단단한 금속의 끝을 바늘(탐침)처럼 뾰족하게 만들어 탐침을 시료에 근접시켜 주사하는 주사터널링현미경에서 발전된 형태다. 

플로리언 알브레흐트 IBM유럽연구소 연구원 연구팀은 탐침이 있는 원자현미경의 끝단에서 나오는 전압 펄스가 선택성과 가역성을 가진 단일 분자 화학 반응을 유도하고 전압 펄스의 극성과 크기에 따라 반응이 달라진다는 사실을 알아내고 사이언스에 연구결과를 발표했다. 이번 연구결과는 탐침의 전압 펄스가 유도하는 산화 환원 반응에 대한 이해를 높일 것으로 기대되고 있다. 

선택적 화학 반응을 제어하는 것은 화학에서 중요한 탐구 주제다. 이번 연구에서는 원자현미경의 탐침이 유도하는 산화 환원 반응에 따라 이뤄지는 분자 수준의 결합과 분리 등 가역적이고 선택적인 화학 반응을 확인할 수 있다. 

연구팀은 특히 분자식은 같지만 분자 내 구성 원자의 결합 방식이나 배열이 동일하지 않은 화합물을 일컫는 이성질체가 원자현미경의 탐침에 가해지는 전압 펄스 극성과 크기에 따라 선택될 수 있다는 사실을 규명했다. 

연구진은 “전압 펄스의 특성에 따른 화학 반응의 속도가 달라지는 것은 이성질체로 만들어지는 반응의 선택성을 입증하고 이성질체가 만들어지는 기본 메커니즘에 대한 통찰력을 제공한다”며 “원자현미경의 탐침이 유도하는 산화 환원 반응에 대한 이해를 높이고 새로운 분자 기계를 만들 수 있는 기반을 제공할 것”이라고 밝혔다. 

[김민수 기자 reborn@donga.com]