금속 중 가장 잘 붙는다던 구리 '공식' 깨졌다…KAIST가 뒤집은 법칙

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 한국과학기술원(KAIST)은 화학과 백윤정 교수 연구팀이 금속과 직접 결합하는 구조는 유지한 채 주변의 약한 수소결합을 조절해 구리가 가장 안정적으로 결합한다는 기존의 금속 안정성 순서를 뒤집는데 성공했다고 6일 밝혔다.

이번 연구는 비타민 B2의 핵심 구조인 플라빈을 이용해 금속 착물을 개발하고, 금속 주변의 수소결합을 조절함으로써 기존 '어빙-윌리엄스 계열'과 반대되는 금속 안정성 경향을 구현한 성과다.

어빙-윌리엄스 계열은 철·니켈·구리 등 전이금속이 주변 분자와 얼마나 안정적으로 결합하는지 나타내는 경험 법칙이다. 망간(Mn)에서 아연(Zn)으로 갈수록 안정성이 높아지며, 특히 구리(Cu)가 가장 안정한 결합을 만드는 것으로 알려져 있다.

지금까지 이 순서는 금속 고유의 '전자 구조'에 의해 결정되므로, 순서를 바꾸려면 금속과 직접 결합하는 '리간드'나 '배위 구조' 자체를 변경해야 한다고 여겨졌다.

그러나 연구팀은 금속 바깥에서 작용하는 비교적 약한 힘인 '수소결합'에 주목했다. 연구팀은 플라빈 유도체를 활용해 망간부터 아연까지 기본 결합 조건을 동일하게 맞춘 뒤, 수소결합이 각 금속의 안정성에 미치는 영향을 관찰했다.

그 결과, 수소결합이 구리가 안정화되는데 필요한 구조 변형을 억제한다는 사실을 확인했다. 구리는 원래 주변 구조를 스스로 변형해 가장 편한 자세를 취하며 안정성을 높이는 특성이 있다.

하지만 연구팀이 설계한 구조에서는 주변 수소결합이 구리를 단단히 잡아두어 이러한 구조 변형을 방지했다. 그 결과 구리의 결합 이점이 줄어들며 기존과 반대되는 '반 어빙-윌리엄스 경향'이 나타났다.

이번 연구는 금속 고유의 성질로 여겨졌던 결합 안정성 순서를 외부 환경 조절을 통해 바꿀 수 있음을 보여줬다는 점에서 큰 의의가 있다고 연구팀은 설명했다.

이 원리를 응용하면 여러 금속이 혼합된 상태에서 특정 금속만을 선택적으로 붙잡아 회수하는 분리 기술, 원하는 금속의 반응성을 극대화하는 촉매 설계, 우리 몸의 효소처럼 필요한 금속만 골라 사용하는 '생체모사 시스템' 구축 등에 다양하게 활용될 것으로 기대된다.

백 교수는 "향후 원하는 금속을 선택적으로 제어하는 새로운 화학 시스템 설계에 기여할 것"이라고 전했다.

KAIST 화학과 임하늘 학생이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 미국화학회(ACS)가 발행하는 국제 학술지 '미국화학회지(JACS)'에 실렸다.

jongseo12@news1.kr