새로운 측정 방법으로 분자들의 공간적 분포 수치화해 설명
수용액내 분자들의 응집 거동과 공간적 분포 사이 관계 확립
광주과학기술원(GIST·총장 김기선)은 서지원씨(화학전공 4년)가 지도교수인 최준호 화학과 교수와 함께 한국연구재단 기초연구사업 지원을 받아 '혼합물에서 분자들의 분포에 관한 계산 화학적 연구'를 수행, 그 결과를 물리화학 분야 과학기술논문인용색인(SCI) 등재 국제학술지 '분자 액체 저널'에 게재했다고 13일 밝혔다.
서씨는 2022학년도 2학기 동안 연구과목인 학사논문 연구를 수강, 화학과의 학부생 연구 프로그램에 참여하며 관련 연구를 진행했다.
서씨와 최 교수는 소금, 설탕과 같은 물질이 물에 녹을 때 변화하는 용액의 특성에 관한 연구를 통해 최근 분자 동역학 모사와 그래프 이론을 도입하여 용질 분자들의 응집 현상에 대한 새로운 가설을 제시했다.
어떠한 물질이 물에 녹았을 때 물과 잘 섞이는지(혼합성), 혼합물 속 분자들은 어떤 구조로 분포하는지 등을 설명하려는 다양한 시도들이 있었지만, 액체 상태의 구조 결정에 대한 실험이 어렵고 분자들 간의 복잡한 상호작용 때문에 용해도, 상 분리, 끓는점과 같은 기본적인 현상조차도 이해하기 쉽지 않다. 녹아 있는 다양한 물질의 전체적인 분포를 정량적으로 측정할 수 있는 방법은 없었다.
연구팀은 다양한 농도와 온도에서 메탄올·다이클로로메테인·부탄올 등 세 가지 혼합물에 대해 분자 동역학 모사를 수행하고 'h value'라는 측정법을 도입해 분자들의 공간적 불균일성을 측정했다. 그래프 이론 분석도 적용해 서로 다른 혼합성을 가진 혼합물을 정량적으로 검사했다.
메탄올은 온도와 농도와 관계없이 물에 잘 섞이고, 다이클로로메테인은 온도와 농도에 관계없이 물과 분리되며, 부탄올은 농도와 온도에 따라 섞이는 정도가 달라진다. 연구팀은 이러한 혼합성 차이가 분자들의 응집 형태와 관련이 있으며, h value 계산을 통해 응집 형태가 분자들의 공간적 분포에도 영향을 미친다는 것을 밝혔다.
또한 세 가지 물질에서의 분자들의 공간적 분포는 뚜렷하게 구분된다. 즉, 물과 잘 섞이는 메탄올 용액은 0에 가까운 h-value를 가지는 반면, 물과 섞이지 않는 다이클로로메테인 혼합물은 0.7의 상대적으로 큰 값을 보인다.
이번 연구는 새로운 측정 방법을 도입해 분자들의 공간적 분포를 수치화해 설명했다는 데 의의가 있다. 기초과학 분야의 난제로 여겨왔던 이온과 삼투 물질이 물의 수소 결합구조와 용액의 특성에 미치는 영향을 이해하는 데 중요한 기여를 할 것으로 기대된다.
이러한 용질의 응집 구조와 혼합도에 대한 정량적 분석 연구는 용액의 물리 화학적 특성, 세포 내 단백질의 액체-액체 상 분리와 같은 현상의 메커니즘 규명을 넘어 특정 물질의 추출, 단백질의 용해도와 안정성 증가, 의약 후보 물질의 용해도 증가와 같은 산업적 측면에서의 다양한 응용을 가져올 수 있다.
서지원 씨는 “이번 연구를 통해 서로 다른 혼합성을 가진 물질이 물에 녹아있을 때 분자들의 공간적 분포를 정량적으로 설명할 수 있었으며, 수용액 내에서 분자들의 응집 거동과 공간적 분포 사이의 관계를 확립했다”며 “향후 삼투 물질, 단백질 등 다양한 분자들이 물에 녹아있을 때 물의 구조와 분자의 분포에 미치는 영향에 관한 연구로 확장되길 기대하고 있다”고 말했다.
광주=김한식기자 hskim@etnews.com
