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[MIT선정 젊은혁신가] 양자역학 프로그램 통해 물분해 촉매 개발

2016-10-18MIT테크놀로지리뷰



알렉산드라 뵤보디치 (펜실베니아대)

컴퓨터 천재인 그는 환경 친화적 화학물질을 만드는 촉매를 찾는 일의 속도를 높이고 있다.


식물은 물을 수소와 산소로 분리, 대사 반응에 사용하기 위해 수십억 년의 진화 끝에 만들어진 효소를 활용한다. 인간 역시 수소를 연료이자 간헐적으로 발생하는 재생 에너지를 저장하는 데 사용한다.

하지만 인간에게는 실용적인 촉매를 만들 수백만 년이 없었다.

알렉산드라 뵤보디치는 슈퍼 컴퓨터를 이용해 물의 분해와 다른 화학반응에 사용할 촉매를 찾고 있다. 그녀는 자신의 일이 ‘자연의 시행착오’ 뿐 아니라 화학 실험실의 시행착오까지도 우회하는 것이라고 말한다.

물을 분해하려면 두 종류의 촉매가 있어야 한다. 하나는 산소를 다른 하나는 수소를 만드는 촉매다.

“효율적인 촉매는 비싸거나 귀합니다.”

계산과학이 바로 이 지점에서 활용된다. 촉매의 작용을 예상하기 위해 뵤보디치는 양자역학을 이용해 특정 물질의 구조와 기능의 관계를 계산하는 프로그램을 만들었다.

화학자들은 촉매가 가져야 할 기능을 알고 있으며 원자들과 원자의 구조가 달라질 때 이들이 어떻게 행동하는지 역시 알고 있다.

SLAC 국립 가속기 연구소의 컴퓨터를 이용해 뵤보비치는 값비싼 물질의 촉매보다 우수하거나 최소한 같은 성능을 내는 산소 발생 촉매를 만들었다.

과학자들은 더 나은 촉매를 찾기 위해 강력한 컴퓨터를 사용해 왔고 다양한 성공을 거뒀다. 하지만 이제 슈퍼 컴퓨터는 더 복잡한 계산을 할 수 있다.

또 뵤보디치는 컴퓨터의 계산 능력을 활용하는데 타고난 재능을 가지고 있다. 이 재능을 이용해 전기적 성질, 화학 구조, 나노 구조, 그리고 다른 성질들을 수학적으로 표현하는 새로운 방법을 발견, 이를 실행하는 프로그램을 만들었다.

또한 실험 과학자들과 함께 일하며 그녀가 시뮬레이션으로 예측했던 고도로 효율적인 물 분해 촉매를 만들어냈다.

이들은 이제 질소와 다른 풍부한 분자들을 유용한 화학물질로 바꾸는 촉매를 찾고 있다.

<본 기사는 테크M 제42호(2016년10월) 기사입니다>