[워터저널] 스탠포드대학 연구팀, “물이 어떻게 과산화수소(H₂O₂)로 변하는지 화학적 기초 밝혀내”

리처드 자레 교수 연구팀, “물이 고체 표면과 접촉하여 전하를 발생시키는 결과”라는 것을 알아내

리처드 자레 교수, “이는 세척과 소독 노력에 영향을 미치는 발견”…미 국립과학원 회보에 8월 1일 발표

미국 스탠포드대학교(Stanford University)의 리처드 자레(Richard Zare) 교수 연구팀은 미세 물방울이 자발적으로 과산화수소(H₂O₂)를 형성할 수 있다는 것을 발견한 연구에 이어, 연구원들은 이것이 물이 고체 표면과 접촉하여 전하를 발생시키는 결과라는 것을 알아냈다.​

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지난 2019년, 스탠포드 대학(Stanford University)의 연구원들과 동료들은 표면을 소독하고 머리카락을 표백하는 데 사용되는 가성 물질인 과산화수소(hydrogen peroxide ; H₂O₂)가 보통의 양성의 미세한 물방울에서 자발적으로 형성된다는 놀라운 발견을 발표했다. 

연구원들은 친환경적인 세척 방법과 같은 잠재적인 응용 분야를 탐구할 뿐만 아니라, 새로운 반응이 어떻게 발생하는지를 살찌우는 것을 목표로 해왔다. 최근의 연구는 분사된 미세 물방울이 고체 표면에 닿으면 접촉 전기화라고 알려진 현상이 일어난다는 것을 밝혀냈다. 

전하가 액체와 고체의 두 물질 사이를 이동하며 반응성 산소종(reactive oxygen species)이라고 불리는 불안정한 분자 파편을 생성한다. 하이드록실 라디칼(hydroxyl radicals)로 알려진 이 두 종의 화학식은 OH(수산화물 ; Hydroxide))이며, 소량이지만 검출 가능한 양의 과산화수소(H₂O₂)를 형성하기 위해 결합할 수 있다.

이 새로운 연구는 또한 물이 대기 중의 미세한 입자뿐만 아니라 토양 입자와 접촉할 때 습한 환경에서 이 과정이 발생한다는 것을 증명했다. 이러한 추가적인 발견들은 물이 안개, 안개, 빗방울을 포함하여 자연적으로 형성되는 곳이면 과산화수소(H₂O₂)와 같은 소량의 반응성 산소 종으로 변형될 수 있음을 시사하며, 관련 2020년 연구의 결과를 뒷받침한다.

이번 연구를 주도한 미국 스탠포드대학교(Stanford University)의 리처드 자레(Richard Zare) 교수. [사진출처(Photo source) = 스탠포드대학교(Stanford University)]

이 연구의 수석 저자인 마거릿 블레이크 윌버(Marguerite Blake Wilbur) 자연과학 교수이자 스탠포드 인문과학 대학(Stanford School of Humanities and Sciences)의 화학 교수인 리처드 자레(Richard Zare)는 “우리는 이 과산화수소 형성을 일으키는 원인이 무엇인지를 이전에는 알지 못했던 진정한 이해를 하게 되었다”라면서 “과산화수소를 생성하는 접촉 전기는 물-고체 계면에서 보편적인 현상인 것으로 보인다”라고 말했다.

리처드 자레(Richard Zare) 교수는 중국과학원(Chinese Academy of Sciences)뿐만 아니라 중국의 두 대학인 장한대학교(Jianghan University)와 우한대학교(Wuhan University)의 연구원들과 협력하여 이 연구를 이끌었다. 이 연구는 미국 국립과학원 회보(Proceedings of the National Academy of Sciences)에 8월 1일 발표되었다.

과산화수(H₂O₂)의 기원

리처드 자레(Richard Zare) 교수와 연구원들은 물을 강제로 주입할 수 있는 미세한 통로를 가진 유리 기구를 만들었다. 그 수로들은 밀폐된 물-고체 경계를 형성했다. 연구원들은 과산화수소가 있는 곳에서 빛을 내는 형광 염료(fluorescent dye)로 물을 퍼냈다.

실험은 유리 미세 유체 체널(glass microfluidic channel)에 거친 화학물질의 존재를 보여주었지만, 염료를 함유한 물의 대량 샘플에서는 그렇지 않았다. 추가적인 실험들은 과산화수소가 물과 고체 사이의 경계에서 단 몇 초 만에 빠르게 형성된다는 것을 정교하게 밝혀냈다.

과산화수소(H₂O₂)의 여분의 산소 원자가 유리와의 반응에서 나온 것인지, 아니면 물(H₂O) 자체의 반응에서 나온 것인지를 측정하기 위해 연구원들은 일부 미세 유체 체널의 유리 라이닝(glass lining)을 처리했다. 이러한 처리 채널에는 ‘산소-18’ 또는 ‘18O’라고 불리는 더 무거운 동위원소 또는 산소 버전이 포함되어 있었다.

처리된 채널과 처리되지 않은 채널에서 물과 과산화수소 유체의 사후 반응 혼합을 비교한 결과, 전자의 경우 18O의 신호가 나타났으며, 이는 하이드록실 라디칼의 산소 공급원으로서 고체가 궁극적으로 과산화수소에 있음을 암시했다.

이 새로운 발견은 스탠포드 연구진이 3년 전 물 마이크로액적에서 과산화수소(H₂O₂)를 처음 발견한 이후 과학계에서 계속되어 온 논쟁의 일부를 해결하는데 도움을 줄 수 있을 것이다. 다른 연구들은 가스 오존, O₃와 화학적 상호작용을 통한 과산화수소(H₂O₂) 생산의 주요 기여와 가속된 액체 내의 저압 영역에서 증기 기포가 발생할 때 공동현상(cavitation)이라고 불리는 과정을 강조한다. 

리처드 자레(Richard Zare) 교수는 “이 두 과정 모두 분명히 과산화수소를 생성하며, 상대적으로 더 많은 양을 생성한다”고 지적하면서 “이 모든 과정이 과산화수소 생산에 기여하지만, 이번 연구는 이 생산도 마이크로방울이 만들어지는 방식과 접촉전화를 통해 고체 표면과 상호작용하는 방식에 내재해 있음을 확인시켜준다”고 말했다.

계절성 호흡기 바이러스에 대한 판도 뒤집기

리처드 자레 교수는 “물이 어떻게 그리고 어떤 상황에서 과산화수소와 같은 활성산소 종(reactive oxygen species)으로 변할 수 있는지 알아내는 것은 실제 세계에 대한 통찰력과 응용 프로그램이 많이 있다”고 설명했다. 

가장 설득력 있는 것 중 하나는 수산기 라디칼(hydroxyl radical)과 과산화수소(H₂O₂)의 형성이 감기(colds), 독감(flus), 그리고 질병이 결국 완전히 풍토병(endemic)이 된 후 ‘코로나19(COVID-19)’ 가능성을 포함한 많은 바이러스성 호흡기 질병의 잘 알려진 계절성에 대한 간과된 기여자라는 것을 이해하는 것이다.

바이러스성 호흡기 감염은 아픈 사람이 기침(cough), 재채기(sneeze), 노래를 부르거나 말을 할 때 물방울로 공기 중에 전염된다. 이러한 감염은 겨울에 급증하고 여름에는 쇠퇴하는 경향이 있는데, 이는 추운 날씨에 사람들이 실내에서 더 많은 시간을 보내고 전염이 가능한 가까운 곳에서 시간을 보내기 때문이다. 그러나 직장, 학교, 밤에 자는 사이에 사람들은 실제로 더운 날씨에도 실내에서 거의 같은 시간을 보내게 된다.

리처드 자레 교수는 “새로운 연구의 결과가 겨울이 더 많은 독감 사례와 상관관계가 있는 이유에 대한 가능한 설명을 제공한다”면서 “직장에서의 주요 변수는 습도, 공기 중의 물의 양이다”라고 말했다.

여름에는 외부의 따뜻한 공기의 더 높은 습도와 연결된 실내 습도의 상대적 수준이 높기 때문에 바이러스를 죽일 수 있는 충분한 시간을 갖는 물방울의 활성 산소 종을 촉진할 수 있다. 대조적으로 겨울에는 건물 내부의 공기가 가열되고 습도가 낮아질 때 활성산소가 소독제 역할을 하기 전에 물방울이 증발한다.

리처드 자레 교수는 “접촉 대전은 바이러스성 호흡기 질환에 계절성이 있는 이유를 부분적으로 설명하는 화학적 기초를 제공한다”라면서 “향후 연구에서 건물의 실내 습도 수준과 전염의 존재 및 확산 사이의 연관성을 조사해야 하고, 연결 고리가 더 확실하다면 난방, 환기 및 냉방 시스템에 가습기를 추가하는 것만으로도 질병 전파를 줄일 수 있다”고 강조했다. 

리처드 자레 교수는 이어 “표면 소독에 대한 새로운 접근 방식을 취하는 것은 환경에 있는 물의 기본적인 화학과 관련된 이 작업의 위대한 실질적인 결과 중 하나일 뿐이다”라면서 “가장 흔하게 접하는 물질 중 하나인 물에 대해 우리가 너무 많이 알고 있다고 생각하지만, 우리는 겸손해진다”고 말했다.

리처드 자레 교수는 또한 스탠퍼드 바이오X(Stanford Bio-X), 심혈관 연구소(Cardiovascular Institute), 스탠퍼드 암 연구소(Stanford Cancer Institute), 스탠퍼드 ChEM-H(Stanford ChEM-H), 스탠퍼드 우즈 환경연구소(Stanford Woods Institute for the Environment) 및 우차이 신경 과학 연구소(Wu Tsai Neurosciences Institute)의 회원이기도 하다.

이 연구는 중국과학원의 전략적 우선 순위 연구 프로그램(Strategic Priority Research Program), 중국 국립자연과학재단(National Natural Science Foundation of China), 중국 국가 핵심 연구 개발 프로그램(National Key Research and Development Program of China), 장한 대학교(Jianghan University)의 청년 인재 지원 프로그램(Youth Talent Support Program) 및 미 공군 과학 연구실(U.S. Air Force Office of Scientific Research)의 보조금으로 지원되었다.