Water
물을 분해할 알루미늄 슈퍼원자
장종엽엔에스
2010. 3. 19. 00:37
| KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』 2010-03-06 | |||||
많은 에너지 전문가들이 수소를 이상적인 연료로 생각하고 있는 이유는 수소를 산소와 혼합시키면 에너지와 물외에는 아무것도 발생되지 않기 때문이다. 그러나 순수한 수소를 운송하고 저장하는 데에는 안전성에 문제가 있으며, 산업적인 규모로 수소를 생산하기 위한 현재의 방식들은 최종적인 수소 연로에 포함되어 있는 것보다 더 많은 에너지를 필요로 한다. 더군다나 그러한 에너지는 대개 천연가스나 석탄 및 그 밖의 온실가스를 발생시키는 연료들로부터 얻어진다. 수소의 이점을 얻기 위해서는, 안전하고 지속가능한 방식으로 수소를 만들고 운반하고 저장하는 방법을 연구자들이 찾아내야 한다. 서던켈리포니아대(University of Southern California)의 전산물리학자 프리야 바쉬슈타(Priya Vashishta)는 신속하게 수소를 생산함으로써 저장 문제를 제거하는 방법을 연구하고 있다. 그는 USC와 일본 쿠마모토대(Kumamoto University)의 동료들과 함께 물 속에 부유된 알루미늄 원자 17개들로 이루어진 덩어리에 대한 복잡한 전산모의실험을 수행하였다. 이러한 원들의 집단은 슈퍼원자(superatom)라고 불리며 알루미늄이 물 분자와 반응하는 방식을 변화시킬 수 있는 특수한 성질을 갖고 있다. 연구팀은 물 분자와 알루미늄 분자들이 일정한 반복적인 순서로 왈츠를 추는 것을 관찰하였다. 이 효과는 영화에서 프레임들이 깜박거리며 흘러감에 따라 춤을 추는 연기자들을 관찰하는 것과 유사하다고 바쉬슈타는 말한다. 전자들과 수소 이온들은 이리저리 움직였으며, 최종적으로는 이러한 반응을 통해 각각 2개의 수소 원자들이 포함되어 있는 수소 분자 3개가 발생되었다. 이 모든 과정은 3피코 초 내로 이루어졌다. “이번 시뮬레이션은 수소가 어떻게 생산되는지를 우리에게 말해주고 있으며, 우리는 수소가 생산되는 이러한 과정을 확실하고 완전하고 완벽하게 이야기할 수 있다.”라고 바쉬슈타는 말한다. 알루미늄 슈퍼원자가 물 증기의 단일 분자와 반응한다는 것은 다른 연구자들이 수행했던 과거의 실험으로부터 힌트를 얻었다. 알루미늄 슈퍼원자와 같은 작은 분자들은 체적에 대한 표면면적의 비가 크기 때문에, 반응속도에 있어서 부피가 더 큰 물질들을 능가하는 장점이 있다고 바쉬슈타는 말한다. 슈퍼원자의 일부 영역은 전자에 굶주려 있지만, 다른 영역들은 전자를 내놓기를 원한다는 것을 연구진은 발견했다. 이러한 영역들이 주변 물 분자들과 상호작용을 시작함에 따라, 수소 원자들은 하나의 산소 파트너로부터 또 다른 파트너로 신속히 짝을 바꾸었고, 최종적으로는 알루미늄 슈퍼원자로 끝났다. 또 다른 일련의 복잡한 수소결합 전환 이벤트가 일어난 뒤에는, 수소 원자는 알루미늄을 또 다른 수소 원자와 결합할 수 있도록 만들었다. 이러한 2개의 단일 수소들은 전략적으로 서로 가깝게 발생됨으로써, 손쉽게 서로를 찾아내어 안정적인 2수소 분자를 형성할 수 있었다. 이들의 근접성은 매우 놀랄만하다고 바쉬슈타는 말한다. 이번 결과는 아주 작은 알루미늄 입자들이 어떻게 수소 생산을 촉진시키는지에 관해서 더욱 완전한 시각을 제공한다. 그러나 이러한 알루미늄 슈퍼원자들이 에너지를 만들기 위한 실용적인 방식은 못될 수도 있다고 퍼듀대(Purdue University)의 대체에너지 연구자인 제리 우달(Jerry Woodall)은 말한다. “이 연구는 흥미로운 과학이지만, 내 생전에는 실용성을 확인하지 못할 수도 있다.”라고 우달은 말한다. 그는 수소 생산을 위한 대규모 알루미늄 촉매에 관해 연구했다. * 그림 : 물을 분해하는 슈퍼원자. 알루미늄 슈퍼원자(은색)는 물로부터 수소 분자(황색)들을 만든다.
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