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◇ 보통난이도 | 한 페이지 뉴스

물은 다양한 형태로 우리에게 에너지를 제공한다. 댐에서 낙하하거나 고온·고압의 수증기로 증발해 터빈을 돌리기도 하고, 전기분해돼 수소 발전에 쓰이는 수소 원료를 만들기도 한다. 그리고 최근에는 습도의 변화도 에너지가 될 수 있다는 연구결과가 나왔다. 

미국 뉴욕시립대 고등과학연구센터와 영국 스트래스클라이드대 순수 및 응용화학부 등 국제 공동연구팀은 물 분자와 결합할 때와 분해될 때 구조가 바뀌는 트리펩타이드 결정을 만들어 이런 가능성을 확인했다.

트리펩타이드 결정은 세 종류의 아미노산 결합체들이 수소결합 등으로 뭉쳐진 것을 일컫는다. 
물 분자와 결합하거나 분해될 때 형태가 바뀌는 물질은 많다. 가령 신문지가 물에 젖거나, 젖은 신문지가 마르면 형태가 변한다. 하지만 물 분자와 결합하거나 분해될 때 원래의 모습으로 돌아오는 물질은 찾기 힘들다. 더군다나 그 물질이 단단한 결정이라면 대부분이 이 과정에서 뻣뻣해지거나 부서진다. 

연구팀은 아미노산 결합체인 티로실-페닐알라닌(YF)에 물과 상호작용을 잘하는 아미노산인 히스티딘(H) 또는 아스파르트산(D)을 결합해 네 종류의 트리펩타이드 결정(HYF, YFH, DYF, YFD)을 만들었다. 그런 뒤, 결정 주변의 습도를 높였다 낮추기를 반복하며 결정학, 분광학, 수치해석학에서 사용되는 다양한 장치들로 결정 변형 정도를 관찰했다. 

그 결과, HYF 결정의 부피 변화가 가장 크다는 사실을 알아냈다. 물 분자와 분해될 때에는 결정 표면의 수소 분자들끼리 결합력이 강해지면서 구조가 바뀌었고, 물 분자와 결합할 때에는 반대의 작용이 나타났다. 결정 구조의 형태가 반복적으로 바뀐다는 것은 물분자가 결정에 일정한 기계적 에너지를 제공할 수 있다는 뜻이다.

첸 시 뉴욕시립대 고등과학연구센터 교수는 “물이 증발할 때 결정의 망구조에 큰 변형이 일어난다”며 “이를 활용해 물의 증발 현상으로도 구동할 수 있는 (인공 근육, 나노 기계 등의) 새로운 액추에이터(작동기)를 만들 수 있을 것”이라고 말했다. 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 머티리얼스’ 9월 14일자에 실렸다. doi: 10.1038/s41563-020-0799-0