10만분의 1g만으로 물 1t에 포함된 염분 제거하는 '분자'의 마법

아마르 플루드 미국 인디애나대 화학과 교수 연구팀은 기존 제염제보다 1000배 이상 강력한 제염 능력을 보이는 분자 구조를 개발했다. 연구에 1저자로 참여한 윤 리우 박사(사진)가 분자 구조를 들어보이고 있다. 일리노이대 제공

소금을 무조건 가둬 없애버릴 수 있는 새로운 구조의 분자가 개발됐다. 연구팀은 지구상에서 마실 수 있는 물의 양을 늘리는 데 도움이 될 것이라 기대했다.

아마르 플루드 미국 인디애나대 화학과 교수 연구팀은 기존 제염제보다 1000배 이상 강력한 제염 능력을 보이는 분자 구조를 개발하고 연구결과를 이달 23일 국제학술지 ‘사이언스’에 발표했다.

소금기가 없는 물을 만드는 것은 마실 물이 부족한 인류의 과제다. 인구가 계속 늘어나며 전세계적으로 마실 수 있는 물이 줄어들고 있기 때문이다. 염분이 민물로 스며드는 것도 문제가 된다.

미국 지질조사국(USGS)은 미국에서 염분을 포함한 용해물 연간 271t이 강이나 지하수로 스며드는 것으로 추정한다. 눈을 녹이기 위해 도로에 뿌리는 염분이나 연수기에서 나오는 염분으로 물이 오염될 수 있다. 암석이 자연적으로 풍화하면서 염분이 생겨나기도 한다. 약 20ℓ 물을 영구적으로 오염시키는 데는 염분 한 티스푼만 있으면 된다.

연구팀이 개발한 분자는 염분의 성분인 염화물을 포획하도록 설계됐다. 염화물은 염소가 다른 원소와 짝을 지을 때 형성된다. 대표적인 예가 요리를 할 때 쓰는 소금, 염화나트륨이다. 이외에도 염화칼륨, 염화칼슘, 염화암모늄 등이 있다.

연구팀이 개발한 새로운 염화물 추출 분자는 6개의 트리아졸로 구성됐다. 트리아졸은 질소와 탄소, 수소로 구성된 5원자 고리다. 이 고리 6개가 염화물을 가두기 위한 완벽한 모양의 3차원 철창 모양으로 만들어졌다. 내부 공간을 향하는 수소 원자가 염화 이온과 강력한 수소 결합을 형성하기 때문에 염화 이온이 속으로 딸려들어가고 빠져나오지 못한다.

연구팀이 개발한 분자구조의 모습. 구체(염화 이온)를 가운데 빈 공간에 잡아둔다. 윤 리우 제공

연구팀이 만든 분자는 염화물의 염화 이온에 대해 1몰당 100경의 친화도를 가진다. 기존에 보고된 제염 분자에 비해 1000배 이상의 효과다. 플루드 교수는 “10년 전 4개의 트리아졸로 도넛 모양의 2차원 분자를 만들었을 때는 효과가 약했지만 이번에 두 개를 추가해서 3차원으로 만들었더니 100억배의 효능이 났다”고 말했다.

탄소와 수소 결합으로 이뤄진 구조를 사용해 염화물을 결합하는 것도 기존과 다른 방식이다. 이전에는 질소와 수소 결합으로 이뤄진 구조에 달린 수소가 염화물과 상호작용이 강한 것으로 보고됐다. 하지만 연구팀은 탄소와 수소 결합으로 3차원 구조를 만들면 염화 이온을 중앙으로 강력하게 끌어들일 수 있음을 발견했다. 이 분자의 유연성도 중심의 염화물이 빠져나가도 분자가 모양을 그대로 유지할 수 있을 정도다. 생산하는 데도 어려움이 없다고 연구팀은 덧붙였다.

연구에 1저자로 참여한 윤 리우 박사과정생은 “이 분자는 100만분의 1g만 물 1t에 넣어도 염분을 100% 포획할 수 있을 것”이라고 말했다.

[조승한 기자 shinjsh@donga.com]