소리로 그림을 그렸다
소리로 그림을 그렸다
  • 함예솔
  • 승인 2020.08.12 15:05
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일부 농가에서는 식물에게 음악을 들려주는 '음악농법'을 쓰는데요. 음파가 세포벽에 물리적 자극을 주어 광합성 등 대사를 증진시키는 원리입니다. 식물의 생장뿐 아니라 가축의 사육, 질병 치료 등에도 소리가 폭넓게 사용됩니다. 하지만 소리는 에너지가 낮아 화학반응에는 이용할 수 없다는 것이 현재까지의 정설이었습니다.

 

기초과학연구원(IBS) 복잡계 자기조립 연구단 김기문 단장(POSTECH 화학과 교수) 연구팀은 기존 통념과 달리 소리가 물리현상뿐만 아니라 화학반응까지 조절할 수 있음을 규명하고 그 결과의 시각화에 성공했습니다. 해당 연구는 <Nature Chemistry>에 게재됐습니다.

 

물 움직임, 화학 반응에 어떻게 영향 미칠까

 

1831년 마이클 패러데이가 수직 진동하는 접시의 물이 복잡한 패턴을 만드는 현상을 첫 보고한 이후, 물리학자들은 파장에 의한 물 움직임을 연구해왔습니다. 반면 물의 움직임이 화학반응에 어떻게 영향을 미칠지를 연구한 화학자들은 드물었습니다. 전자레인지의 마이크로파나 초음파에 비해 파장이 긴 소리는 에너지가 작아 분자의 변화에 어떤 영향도 미치지 못한다는 것이 보편적인 견해여서 화학연구의 대상으로 잘 고려되지 않았습니다.

 

연구진은 물의 움직임에만 주목한 기존 연구와 달리 물의 움직임에 의한 공기의 용해도 변화에 관심을 두었습니다. 소리로 물결의 패턴을 제어해 용해도를 조절한다면 한 용액 내에서 위치에 따라 서로 다른 화학적 환경을 조성할 수 있을 것이라는 기발한 아이디어가 발단이 됐습니다. 이어서 연구진은 이를 시각화할 수 있는 실험을 설계했습니다.

소리를 이용한 화학반응 조절 시스템. 출처: IBS
소리를 이용한 화학반응 조절 시스템. 출처: IBS

우선, 연구진은 스피커 위에 페트리 접시를 올려둔 뒤 소리가 접시 안의 물에 어떤 영향을 주는지 관찰했습니다. 소리가 만들어낸 미세한 상하 진동으로 인해 접시 안에는 동심원 모양의 물결이 만들어졌습니다. 동심원 사이의 간격은 주파수가 높아질수록 좁아졌으며, 그릇의 형태에 따라 다른 패턴을 나타냈습니다. 소리의 주파수와 그릇의 형태에 따라 나타나는 물결의 패턴을 조절할 수 있음을 확인한 겁니다.

 

소리가 만들어낸 물결, 화학반응에 영향 미칠까?!

 

이후 연구진은 지시약을 이용해 소리가 만들어낸 물결이 화학반응에도 영향을 미치는지 분석했습니다. 먼저, 파란색이지만 산소와 반응하면 무색으로 바뀌는 염료(바이올로젠 라디칼)를 접시에 담은 뒤, 스피커 위에 얹은 후 소리를 재생했습니다. 물결에서 움직이지 않는 마디 부분은 파란색을 유지하는 반면, 주기적인 상하운동을 하는 마루와 골(가장 높은 부분과 낮은 부분)은 산소와 반응하며 무색으로 바뀌었습니다. 공기와 접촉이 활발하여 산소가 더 많이 용해되기 때문입니다.

소리로 산화‧환원 반응 조절 실험. 출처: IBS
소리로 산화‧환원 반응 조절 실험. 출처: IBS

또한, 산성도(pH)에 따라 색이 변하는 지시약인 BTB 용액을 이용해 동일한 실험을 진행했습니다. BTB 용액은 염기성에서는 파란색, 중성에서 녹색, 산성에서 노란색을 띠는 지시약입니다. 연구진은 접시에 담긴 파란색 BTB 용액을 스피커 위에 놓고 소리를 들려주며 이산화탄소에 노출시켰습니다. 이산화탄소가 물에 녹으면 용액이 산성으로 변하는데 소리를 들려주자 용액 속에 파란색, 녹색, 노란색이 구획별로 나뉘어 나타났습니다. 물결로 인해 기체의 용해도가 부분적으로 달라지며 산성, 중성, 염기성이 공존하는 용액이 만들어진 겁니다.

BTB 지시약과 소리를 이용하여 생성된 패턴. 출처: IBS
BTB 지시약과 소리를 이용하여 생성된 패턴. 출처: IBS

연구를 주도한 황일하 연구위원은 "용액의 산성도는 전체적으로 동일하다는 상식을 뒤엎은 흥미로운 결과"라며 "소리로 산화․환원 또는 산․염기 반응을 일으켜 물리적 가림막 없이도 용액 내 화학적 환경을 서로 다르게 구획할 수 있음을 보여줬다"고 설명했습니다.

 

지금까지 평형상태에서 고주파로 화학반응을 조절하려는 연구가 시도된 적은 있지만 실제 자연과 같은 비평형상태에서 소리를 이용하여 화학반응을 조절할 수 있다는 것을 밝힌 건 이번이 처음입니다. 또한 이 연구는 소리가 생체 내 화학반응에 미치는 영향으로 확장돼 복잡다단하게 조립․변화하는 생명활동의 이해를 도울 것으로도 기대됩니다.

김기문 단장. 출처: IBS
김기문 단장. 출처: IBS

 

 

 

김기문 단장은 "동화 <피리 부는 사나이>에서 소리를 이용해 쥐의 움직임을 통제했듯, 우리 연구진은 소리를 이용해 분자의 거동을 조절했다"며 "화학반응과 유체역학을 접목해 발견한 새로운 현상으로 소리를 이용한 다양한 화학반응 조절 등 후속 연구를 진행할 계획"이라고 말했습니다.

 

 

 

한편, 본 연구 중에 촬영한 이미지는 제5회 IBS Art in Science 전시회에  '소리 붓으로 그린 그림'이라는 작품으로 소개되기도 했습니다. 

소리 붓으로 그린 그림. 출처: IBS
소리 붓으로 그린 그림. 출처: IBS

스피커의 소리는 접시 안에 물결 패턴을 만들고 이러한 물결은 공기 중 산소를 용해시키고, 용액 안의 염료 분자와의 섞임을 조절합니다.  이 작품은 선명한 파란색 염료 분자의 산화반응을 소리로 선택적으로 제어하는 실험 과정에서 찍은 사진입니다. 모양이 다른 그릇 위에 주파수 생성기, 스피커 등의 '붓'으로 그림을 그렸습니다.


##참고자료##

 

  • Ilha Hwang et al., "Audible sound-controlled spatiotemporal patterns in out-of-equilibrium systems", Nature Chemistry(2020)


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