東京理科大
고효율 광합성에 길
근적외선에서의 구조 해명
東京理科大學의 ?達也 준교수와 京都大學의 三室守 교수 등의 연구팀은 어떤 종류의 박테리아가 사람 눈에는 보이지 않는 근적외선을 사용하여 광합성하는 구조를 해명했다. 일반적인 생물은 가시광을 사용하여 광합성한다. 근적외선의 에너지를 가시광에 비해 낮지만 태양으로부터 쏟아져 내리는 총량은 가시광과 마찬가지로 풍부하다는 것이 특징. 근적외선을 활용하는 고효율 인공광합성 등에 길을 여는 성과이다.
광합성은 물과 이산화탄소(CO2)에서 산호와 탄수화물을 만들어내는 반응에서, 흡수한 빛의 에너지로 물에서 전자를 빼내어 산소를 만들고, 동시에 빼낸 전자를 차례차례 전달함으로써 최종 산물인 탄수화물을 만들어 낸다. 광합성을 하는 생물은 보통 가시광을 흡수하는 클로로필a를 갖는다.
? 준교수 등은 주로 바다에 있는 박테리아에서 클로로필d를 갖는 「아카리오 클로리스」에 주목했다. 이 a가 흡수하는 빛의 에너지양이 1.8볼트인데 비해 동 d는 1.7볼트로 낮다는 것을 발견. 전자의 이동처인 단백질의 구조가 작은 에너지로 운반된 전자로도 전달되기 쉽도록 변화했다는 것을 밝혀냈다.
근적외선은 태양에서 나오는 것 뿐 아니라 해저 화산 등 열 원이 있는 장소에서는 어디서든 많이 나온다. 인공광합성 이외에 저산소 환경 생태계의 다양성을 높이는 등의 응용을 생각할 수 있을 것이라고 한다. 동 d가 근적외선으로 광합성한다는 것을 알려져 있었으나 자세한 구조는 알지 못했다. 일경산업

안정화된 양이온의 대량 생산 기술
무기 화학자들에 있어 약한 결합을 하고 있는 음이온들은 대단히 중요하다. 그 이유는 이들이 음이온 결합성 물질과 거의 반응을 하지 않기 때문에 불안정한 양이온들을 안정화시킬 수 있기 때문이다. 하지만 지금까지 이와 관련된 가장 큰 문제는 이들을 생산하는 것이 매우 어렵다고 하는 점이다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 독일의 화학자들이 비교적 정제된 방법으로 한번에 많은 양의 음이온을 얻을 수 있는 방법을 개발해 화제가 되고 있다.
이에 대해 독일 부퍼탈대학(Bergische University Wuppertal)의 Helge Willner는 “이것은 이미 15년 전에 연구가 시작된 것들이다.”라고 말했다. Willner는 양이온을 안정화시키기 위해 음이온과 약하게 결합할 필요가 있는 카르보닐 양이온(carbonyl cation)을 연구하던 중 커피를 마시다 문득 실험과 관련된 아이디어를 떠올렸다고 한다. 그는 “우리는 이상적으로 약한 결합을 지닌 음이온이 될 수 있는 테플론(Teflon) 표면에 음이온을 만들어낼 생각을 하고 있었다.”라고 덧붙였다.

하지만 생각과는 달리 대칭성을 지닌 [B(CF3)4]- 음이온은 만들기가 어렵다는 것이 밝혀졌다. 실제로, Willner와 동료 연구자인 Eduard Bernhardt는 이러한 것들을 만들려는 시도에도 불구하고 만들어진 양은 겨우 몇 밀리몰 수준이라는 사실을 알 수 있었다. 이 정도의 양으로는 음이온의 속성을 알아보는 실험도 제대로 수행할 수 없었다. 그래서 Bernhardt와 동료 연구자들은 이러한 문제를 해결하고자 했다.
이에 대해 “리간드 치환(Ligand substitution)’은 이용할 수 없었는데 그 이유는 보론(boron)이 너무 강한 루이스산(Lewis acid)이기 때문이다.”라고 말했다. 대신, Bernhardt와 Willner는 탄소 원자가 이미 보론에 결합되어 있는 - K[B(CN)4]을 이용하기로 결정했다. 이것은 이전에 만들어진 적이 없기 때문에 Bernhardt는 테트라 시아노보레이트(tetra cyanoborate)- 현재는 이온성 액체에서 종종 사용되는-를 만들었고 이를 할로겐화하였다. 그런 다음 음이온을 매우 독성이 강한 ClF나ClF3와 반응시켜 그는 각각의 시아노 그룹을 할로겐화 할 수 있었다. 그 결과, 수십 그램의 K[B(CF3)4]이 만들어질 수 있었다.
영국 브리스톨대(University of Bristol)의 Nick Norman은 [B(CF3)4]-에 대한 관심은 이전부터 많이 있었는데 그 이유는 이들이 매우 훌륭하면서도 약한 음이온들을 만들 수 있는 속성을 지니고 있기 때문이라고 말했다. 그는 또한 많은 다른 연구 그룹이 이러한 일에 도전해 왔지만 결국 이들이 이러한 것을 해 낼 수 있었다고 덧붙였다. 이에 대한 보다 자세한 연구 결과는 Eduard Bernhardt, Maik Finze and Helge Willner, Inorg. Chem., 2011, DOI : 10.1021/ic201319h을 참고하기 바란다. GTB

트럭 화물칸에 광촉매
선라인, 위생관리 강화
운송업 회사인 선라인(靜岡縣 御殿場市, 사장 橘哲夫)는 수송 트럭의 화물칸에 광촉매를 도포하여 위생관리를 강화한다. 우선 沼津市 내의 학교급식 운반용 9대와 양호시설의 사용한 시트 운반용 2대에 도입한다. 집단식중독의 발생 등으로 위생관리에 주목하고 있는 가운데, 종래의 소독방법보다 효과가 높은 광촉매를 도입하여 하주(荷主)의 획득으로 연결한다.
트럭 등의 화물칸에 광촉매 도료를 도포하여 위생 상태를 유지하는 시스템을 개발한 榮和자동차(沼津市, 사장 飯田武)와 제휴했다. 광촉매는 자외선 등의 빛이 닿으면 반응하여 오염이나 냄새, 균 등 유기물을 분해하는 작용을 한다. 온도에 상관없이 효과를 발휘한다. 이 특성을 살리기 위해 화물칸 전면(全面)에 광촉매 도료를 도포하고 자외선을 발하는 특수조명을 화물칸 천장 모서리에 장착했다. 일경산업

해수 담수화에 필요한 에너지의 최소화 연구
지멘스(Siemens)사는 싱가폴에 위치한 파일럿 설비를 통해 해수 담수화(Desalinate Seawater)에 필요한 에너지를 50% 이상 절감하는 연구를 진행하고 있다.
이 설비는 하루에 50 입방미터의 물을 처리할 수 있으며, 이를 위해 필요한 전기 소비량은 입방미터 당 1.5 kWh 수준이다. 현재 가장 효율적인 담수기술은 역삼투압(Reverse Osmosis)을 활용하는 경우지만, 새로운 기술과 비교했을 때 에너지 소비량은 2배 이상 높다. Pictures of the Future 매거진은 새로운 기술이 물에서 염분을 제거하기 위해 전기장(Electric Field)을 이용한다고 설명하였다. 지멘스의 계획에 따르면 2012년 중반까지 싱가폴, 미국 및 카리브해에 실증용 설비를 도입할 예정이다.
전문가들은 전세계 물 소비량이 향후 15년 동안에 40% 증가할 것으로 예측하고 있다. 사막 국가들과 싱가폴 같은 작은 국가들은 담수 자원(Fresh Water)이 거의 없기 때문에 해수를 담수화하려는 노력을 점차 증대하고 있다. 그러나 이러한 해수 담수화 과정에는 아직도 많은 에너지가 투입된다. 1 입방미터의 해수를 스팀으로 전환하는데는 약 10 kWh의 전기가 필요하다. 반대로 물에 압력을 가해 필터(Filter)를 통과시키는 역삼투압은 같은 양의 해수를 담수화하기 위해 4 kWh의 전기가 소비되고 있다.
지멘스가 개발한 새로운 에너지 절감 시스템은 전기투석(Electrodialysis) 방식을 사용한다. 이 공정은 전기장을 사용하여 염분의 양이온 및 음이온을 추출한다. 오직 단이온(Single Type of Ion)만이 통과할 수 있는 특수한 멤브레인은 소금물이나 정화된 물을 수집하는 경로를 만든다. 그러나 이 공정은 물의 전기적 저항성이 증가되기 때문에 염농도가 감소되면 효율이 떨어지게 된다. 이러한 이유로 물에 있는 마지막 염분까지 추출하기 위해 연속식 전기탈이온(Continuous Electrodeionization) 시스템을 활용한다. 이 시스템에서 멤브레인 사이에 위치한 이온교환수지(Ion Exchange Resins)는 이온을 포획하고 물에서 멀리 떨어지도록 이동시키는 역할을 한다.
지멘스의 전문가들은 이러한 공정을 보다 개선할 수 있는 시물레이션 모델을 현재 작업하고 있다. 프로젝트의 일부는 독일연구부처(German Research Ministry)에서 지원하고 있으며, 연구팀은 분자 단위에서 공정을 모사할 계획이다. 연구팀은 이러한 모델이 전기장 내 물 흐름의 역학관계 뿐만 아니라 멤브레인을 통과하는 이온의 이동에 대해 보다 많은 이해를 하는데 도움이 될 것으로 기대하고 있다.
지멘스는 싱가폴에 위치한 수처리시스템 연구센터인 워터허브(WaterHub)에서 새로운 담수화 기술을 개발하였다. 이 기술은 지멘스의 환경사업 포트폴리오의 일부이며, 지난 2010년에 약 280 억 유로(약 41조원)의 매출을 기록한 바 있다. GTB