'피리 부는 사나이'처럼···소리로 분자 거동 조절했다

[이데일리 강민구 기자] 소리는 식물의 생장뿐 아니라 가축의 사육, 질병 치료 등에 사용되고 있다. 이러한 소리가 에너지가 낮아 화학반응에 이용할 수 없다는 정설을 깨고, 화학반응을 조절한 연구결과가 나왔다.

기초과학연구원(IBS)은 김기문 복잡계 자기조립 연구단장 연구팀이 소리가 물리현상뿐만 아니라 화학반응까지 조절할 수 있음을 알아내고, 그 결과를 시각화했다고 11일 밝혔다.

소리를 이용한 화학반응 조절 시스템.<자료=기초과학연구원>

연구팀은 물의 움직임에 의한 공기의 용해도 변화에 관심을 뒀다. 소리로 물결의 패턴을 제어해 용해도를 조절하면 한 용액 내에서 위치에 따라 서로 다른 화학적 환경을 조성할 수 있다고 보고 이를 시각화할 수 있는 실험을 설계했다.

연구팀은 우선 스피커 위에 페트리 접시를 올려두고, 소리가 접시 안의 물에 어떤 영향을 주는지 관찰했다. 소리가 만들어낸 미세한 상하 진동으로 접시 안에는 동심원 모양의 물결이 만들어졌다. 동심원 사이의 간격은 주파수가 높아질수록 좁아졌고, 그릇의 형태에 따라 다른 유형을 나타냈다. 소리의 주파수와 그릇의 형태에 따라 나타나는 물결의 유형을 조절할 수 있음을 확인한 것이다.

이후 연구팀은 지시약을 이용해 소리가 만들어낸 물결이 화학반응에도 영향을 미치는지 분석했다. 파란색이지만 산소와 반응하면 무색으로 바뀌는 염료인 바이올로젠 라디칼을 접시에 담은 뒤, 스피커 위에 올려 소리를 재생했다.

물결에서 움직이지 않는 마디 부분은 파란색을 유지하고, 주기적인 상하운동을 하는 마루와 골은 산소와 반응해 무색으로 바뀌었다. 공기와 접촉이 활발해 산소가 더 많이 용해되기 때문이다.

산성도에 따라 색이 변하는 지시약인 BTB 용액을 활용해 같은 실험도 추가로 이뤄졌다. BTB 용액은 염기성에서는 파란색, 중성에서 녹색, 산성에서 노란색을 띠는 지시약이다. 연구팀이 접시에 담긴 파란색 BTB 용액을 스피커 위에 놓고 소리를 들려줬다. 이산화탄소가 물에 녹으면 용액이 산성으로 변하는데, 소리를 들려주자 용액 속에 파란색, 녹색, 노란색이 구획별로 나뉘어 나타났다. 물결 발생으로 기체의 용해도가 부분적으로 달라지며 산성, 중성, 염기성이 공존하는 용액이 만들어진 것이다.

연구팀은 이번 연구를 통해 소리가 생체 내 화학반응에 미치는 영향으로 확장돼 복잡하게 조립·변화하는 생명활동의 이해를 도울 것으로 기대했다.

김기문 단장은 “동화 ‘피리 부는 사나이’에서 소리를 이용해 쥐의 움직임을 통제했듯 우리 연구진은 소리를 이용해 분자의 거동을 조절했다”며 “화학반응과 유체역학을 접목해 발견한 새로운 현상으로 소리를 이용한 화학반응 조절 등 후속 연구를 진행할 계획”이라고 말했다.

연구결과는 국제학술지 ‘네이처 케미스트리(Nature Chemistry)’에 11일자(한국시간)에 게재됐다.