(A single nanocluster of 22 gold atoms -- Au22 -- is only 1 nanometer in diameter, allowing it to easily slip through the bacterial cell wall. Credit: Peidong Yang, UC Berkeley)
납을 금으로 바꾸려는 중세 연금술사들의 노력은 결국 실패했지만, 그들이 남긴 화학적 발견은 과헉적 발견을 도왔습니다. 현대 과학자들은 납이나 다른 싼 금속을 금으로 바꾸는 허황된 연구는 하지 않지만, 금을 촉매로 여러 가지 유용한 화학 물질을 만드려는 연구는 활발히 진행되고 있습니다.
페이동 양 교수 (Peidong Yang, a professor in UC Berkeley's College of Chemistry)가 이끄는 UC 버클리의 과학자들은 매우 독특한 방법으로 바이오 연료 생산을 촉진하는 연구를 진행했습니다. 연구팀은 처음에는 Moorella thermoacetica라는 박테리아에서 바이오 매스 생산성을 높이기 위해 cadmium sulfide (CdS)로 만든 광흡수 나노입자를 사용했습니다.
이 나노입자는 박테리아 표면에 달라붙은 다음 가시광 에너지를 흡수해 전자를 내놓게 됩니다. 그러면 이 여분의 전자가 박테리아의 이산화탄소 대사를 촉진하는 것입니다. 하지만 여기에는 몇 가지 문제가 있습니다. 이산화탄소를 최종적으로 아세트산으로 바꾸는 효소를 촉진하지 않는데다 카드뮴이 박테리아에 대해 독성을 지니고 이었습니다.
연구팀은 22개의 금 원자로 구성된 Au22라는 새로운 나노입자로 이 문제를 극복했습니다. Au22는 지름이 1nm에 불과해 쉽게 박테리아 내부로 들어갈 수 있으며 여기서 광흡수를 통해 추가적인 에너지를 공급해 이산화탄소로 아세트산(CH3COOH)로 바꾸면서 바이오 매스의 양을 늘릴 수 있습니다. 연구팀은 이를 통해 보다 쉽게 태양 에너지를 이용해서 유용한 탄화수소를 생산할 수 있다고 보고 있습니다.
다만 바이오 연료의 경제적인 대량 생산을 위해서는 무엇보다 가격을 낮추는 것이 중요합니다. 금이 훌륭한 촉매 소재가 될 수 있음에도 사용에 제약이 있는 건 비싼 가격 때문인데, 앞으로 이 문제를 극복할 새로운 소재가 필요할 것 같습니다.
참고
Hao Zhang et al, Bacteria photosensitized by intracellular gold nanoclusters for solar fuel production, Nature Nanotechnology (2018). DOI: 10.1038/s41565-018-0267-z
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