식물 광합성 흉내 내는 인공분자 구조 제시, 미 ACR 표지채택
ACR은 ‘영향력지수(Impact Parameter)’가 15 이상인 세계적으로 영향력이 큰 해설 논문지로, 편집진이 어느 한 분야에서 최근 2~3년에 주요 성과를 이룬 학자를 찾아 논문 집필을 의뢰하고 있다.
논문의 주요 내용은 자연계에서 빛 에너지를 가장 잘 이용하는 광합성계를 모방하기 위해 인공적으로 3차원 형태의 분자 집합체를 구성하는 방법에 관한 것.
식물에서 분자들이 빛 에너지를 포획하고 전달하는 과정을 ‘초고속 펨토초레이저 촬영 기법’으로 실시간 측정한 것을 바탕으로 설명했다.
표지 사진은 광합성 구성 분자들이 선형 형태로 연결된 구조를 나타내고 있는데, 서로 직교하는 형태와 나란한 형태의 두 가지 분자 모형을 표현했다.
김 단장은 “이 논문은 인공 광합성계를 이용한 태양전지(solar cell)의 설계 및 합성에 중요한 가이드라인을 제시한다”며 “예를 들어 빛을 받아 전기적 신호로 변환할 때 빛 에너지 전달 효율을 높이기 위해 어떤 요소를 고려해야 하는가를 알려준다”고 말했다.
김 단장이 이끌고 있는 초고속광물성제어연구단은 1997년 과학기술부가 주관하는 ‘창의적 연구진흥사업단’의 하나로 선정됐다.
연구단은 불교에서 말하는 ‘찰나’의 순간에 벌어지는 자연현상에 관심을 기울이고 있다. 대표적인 것이 식물의 광합성 과정. 엽록소가 햇빛을 받았을 때 복잡한 과정을 거치면서 양분을 만들어내는 메커니즘을 밝히려는 것이다.
그런데 엽록소 분자가 빛 에너지를 받고 반응하는 순간들은 1천조분의 1 수준의 펨토(femto)초 영역이다. 이 사건을 볼 수 있으려면 펨토초 수준으로 빛을 잡아낼 수 있는 ‘촬영기’가 있어야 한다.
1999년 노벨화학상을 수상한 미국 캘리포니아공대 화학과의 아메드 즈웨일 교수는 바로 펨토초 간격으로 촬영할 수 있는 레이저장치를 개발한 인물이다. 한 펄스당 시간폭이 약 10-50펨토초에 불과한 극초단 레이저펄스를 발생시키는 펨토초레이저기술 분야를 개척한 것. 이 기술을 이용하면 화학반응이 일어나고 있는 분자의 모양을 1백조분의 1초에 한 장씩 사진으로 계속 찍어나갈 수 있다. 그리고는 매우 천천히 돌아가는 슬로우 비디오로 관찰하면 화학반응에 의한 분자구조의 변화를 직접 눈으로 확인할 수 있는 것이다.
김 단장은 20펨토초에서 관찰할 수 있는 레이저기술을 개발하는데 성공했다. 목적은 식물을 흉내내는 장치를 제작하려는 것. 엽록소 분자의 활동 과정을 잘 분석해 좀더 간단하고 조작이 가능한 분자 크기의 구조물을 만들면 고효율의 ‘인공 광합성 시스템’을 실현시킬 수 있다는 생각이다. 세계에서 가장 작은 태양전지를 만들 수 있다는 의미.
태양전지는 지구에 무진장하게 공급되는 햇빛으로부터 전기에너지를 효율적으로 생산하려는 목적으로 개발되고 있는 차세대 에너지원이다. 그런데 자연에서 햇빛을 가장 효율적으로 활용하는 존재는 바로 식물이다.
김 단장은 수년간 인공적으로 식물의 광합성 과정을 재현할 수 있는 분자구조를 만들어 왔다. 이번 ACR의 표지논문 채택은 김 단장 연구팀의 성과가 세계적으로 인정받았음을 알려준다.
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올해로 창립 127주년을 맞이하는 연세대학교는 기독교의 가르침을 바탕으로 진리와 자유의 정신에 따라 겨레와 인류 사회에 이바지할 지도자를 기르는 배움터다.
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김동호 교수 02-2123-2652
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2017년 3월 6일 16:30
