새로운 화학적 반응을 발견하기 위한 나노반응기

새로운 화학적 반응을 발견하기 위한 나노반응기

 

 

 

스탠포드 대학(Stanford University)의 연구진은 새로운 화학적 반응을 발견할 수 있는 나노반응기(nanoreactor)를 개발했다. 1952년에, Urey-Miller는 초기 지구에서 존재하는 화학물질들을 서로 혼합시켰고, 그 후에 생물학적으로 관련된 유기 분자들이 어떻게 자발적으로 형성되는지를 조사하기 위해서 초기 지구의 환경과 유사한 조건을 만들었다. 이 실험은 생명 탄생에 중요한 영향을 끼치는 20개 이상의 분자들을 만들었고, 이번 연구팀은 이 실험을 한 단계 더 나아갈 수 있을 것이라고 생각했다.

이번 연구진은 Urey-Miller 실험에서 생성된 모든 화학물질을 분석할 수 있을 뿐만 아니라 그들의 형성을 이끄는 모든 화학적 반응을 분석할 수 있는 컴퓨터 모델을 만들었다. 나노반응기는 과학자들이 연료 연소 또는 배터리의 효율을 향상시키고 새로운 약물을 위한 기회를 가질 수 있는 화학적 반응과 메커니즘을 발견하는데 도움을 줄 수 있다.

나노반응기는 저널 Nature Chemistry에 게재되었고, 가상 화학 세트(virtual chemistry set)처럼 작동한다. 이것은 일부 표적 화학물질의 구조를 입력하고 환경적 조건(온도 또는 압력)을 설정하면 작동된다. 알고리즘은 분자들이 상호작용할 때 분자 속의 각각의 전자들의 양자 기계적 문제들을 해결할 수 있다.

“당신이 단지 버튼을 누르기만 하면, 이것은 중요한 모든 반응들을 당신에게 말할 것”이라고 이 연구를 이끌었던 Todd Martinez, David Mulvane Ehrsam, Edward Curtis Franklin 교수가 말했다. “이것은 화학물질이 반응하는 방법과 우리가 이전에 결코 본 적이 없는 반응 또는 메커니즘 등을 발견하기 위해서 물리학과 기계공학이 결합된 하이브리드 방법을 사용한다”고 Franklin 교수가 덧붙였다.

전통적으로, 이런 유형의 정보를 생성하기 위해서는 연필과 종이로 전자 움직임을 스케치해야 한다. 이것은 매우 복잡하고 수많은 가능성을 내포하고 있기 때문에 한계가 존재한다. 그러나 데스크톱 컴퓨터로 구동시킬 경우에, 나노반응기는 한 번에 100개 ~ 200개의 원자를 시뮬레이션할 수 있고 몇 시간 내에 결과를 도출할 수 있다.

나노반응기는 중요한 화학 공정의 반응과 메커니즘을 밝히는데 매우 중요하게 적용될 수 있다. 예를 들어, 가스로 구동되는 자동차의 연소 반응을 밝혀내는데도 적용될 수 있다. “연소는 수백 개의 많은 반응들을 포함하고, 우리는 발생하는 모든 반응들을 알지 못한다. 이것은 이론을 사용해서 이것을 발견할 수 있게 한다”고 Martinez가 말했다. “당신은 모든 반응들을 알 수 있고, 지속 가능한 연소를 위한 핵심적인 요소를 식별할 수 있다. 그리고 당신은 매연 형성을 차단시킬 수 있는 방법을 찾을 수 있고, 다른 바람직하지 않는 반응 경로를 중단시킬 수 있는 방법을 알 수 있다”고 Martinez가 설명했다. 이번 연구진은 반응의 효율을 향상시키는 촉매를 발견할 수 있는 기회를 얻는데 나노반응기를 적용할 수 있을 것이라고 예상하고 있다. 마찬가지로, 이 모델은 인간 건강과 질환에 중요한 생화학적 반응을 더 잘 이해할 수 있게 하고, 이것은 새로운 약물 개발을 이끌 수 있을 것이다. 이 연구결과는 저널 Nature Chemistry에 "Discovering chemistry with an ab initio nanoreactor“라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1038/nchem.2099).

그림. 새로운 반응과 메커니즘을 발견할 수 있게 하는 나노반응기. 이 다이어그램은 메틸카르밤산(methylcarbamic acid)의 반응 네트워크를 보여준다.

키워드 : 나노반응기, 화학 반응, 분자

출처: KISTI 미리안 글로벌동향브리핑

원문: http://phys.org/news/2014-11-chemists-nanoreactor-chemical-reactions.html