감마선, 우주의 화학공장: 메탄에서 생명의 씨앗까지

우주 공간에서 가장 흔한 분자 중 하나인 메탄이 감마선을 통해 놀라운 변화를 겪는다는 연구 결과가 발표되었습니다.

중국과학기술대학(USTC)의 후웨이신(Weixin Huang) 교수 연구팀은 '앙게반테 케미'에 게재한 연구에서, 감마선이 상온에서 메탄을 다양한 유기물질로 전환할 수 있다는 사실을 밝혀냈습니다.

 

이러한 반응은 우주 공간의 먼지와 얼음 입자 표면에서 일어나는 것으로 추정됩니다.

감마선은 우주선과 방사성 동위원소의 붕괴 과정에서 발생하는 고에너지 광자로, 이러한 고에너지 입자가 메탄 분자에 충돌하면 분자 결합이 깨지고 새로운 분자들이 형성될 수 있습니다.

연구팀은 이러한 과정을 통해 탄화수소, 산소 함유 분자, 아미노산 등 다양한 유기물질이 생성될 수 있다고 설명했습니다.

이번 연구는 우주 공간에서 복잡한 유기물질이 어떻게 형성되었는지에 대한 이해를 돕는 중요한 발견입니다.

특히, 생명의 기원과 관련된 아미노산 같은 물질이 우주 공간에서 자연적으로 생성될 수 있다는 가능성을 제시합니다.

또한, 이 연구는 지구상에서도 유용한 응용 가능성을 가지고 있습니다.

 

현재 메탄은 주로 연료로 사용되지만, 이번 연구 결과를 활용하면 감마선을 이용해 메탄을 고부가가치의 화학물질로 전환하는 새로운 기술을 개발할 수 있을 것으로 기대됩니다.

이는 기존의 고온, 고압 조건에서 이루어지는 화학 공정을 대체할 수 있는 친환경적인 방법으로 주목받고 있습니다.

 

 

감마선을 이용한 메탄의 다양한 전환

중국 연구팀은 코발트-60 방사선원을 이용하여 상온에서 기체 및 수용액 상의 메탄 반응을 연구했습니다.

반응 결과물의 조성은 초기 물질에 따라 달라집니다.

순수한 메탄은 매우 낮은 수율로 에탄, 프로판, 수소를 생성합니다.

산소를 첨가하면 전환율이 증가하여 주로 이산화탄소와 일산화탄소, 에틸렌, 물이 생성됩니다.

물이 존재하는 경우, 수용액 상태의 메탄은 아세톤과 tert-부틸 알코올을 생성하며, 기체 상태에서는 에탄과 프로판을 생성합니다.

물과 산소를 모두 첨가하면 반응이 크게 촉진됩니다.

 

수용액 상에서는 포름알데히드, 아세트산, 아세톤이 생성됩니다.

암모니아를 추가하면 아세트산은 아미노산인 글라이신을 생성합니다.

이는 우주에서도 발견되는 아미노산입니다.

연구팀은 개별 생성물이 생성되는 경로를 설명하는 반응 메커니즘을 개발했습니다.

이 과정에서 산소 라디칼(∙O2-)과 하이드록실 라디칼(∙OH)이 중요한 역할을 합니다.

 

 

우주 공간에서의 메탄 전환 가능성

우주 공간에서도 일어날 수 있는 급진적 반응 메커니즘을 통해, 메탄을 아세트산으로 전환하는 새로운 방법이 개발되었습니다.

이러한 반응은 온도에 의존하지 않기 때문에 우주 공간과 같은 극한 환경에서도 진행될 수 있습니다.

연구팀은 또한, 성간 먼지의 구성 요소인 이산화규소, 산화철, 규산마그네슘, 산화그래핀 등의 다양한 고체 입자가 생성물의 선택성에 영향을 미친다는 사실을 발견했습니다.

이러한 성간 먼지의 다양한 조성이 우주 공간에서 관측되는 분자의 불균일한 분포에 기여했을 가능성이 있습니다.

특히, 이산화규소는 메탄을 아세트산으로 보다 선택적으로 전환하는 데 효과적입니다.

연구팀은 감마선이 안전하고 지속 가능한 에너지원이므로, 이 방법을 통해 메탄을 부가가치가 높은 제품으로 효율적으로 전환할 수 있는 새로운 접근법을 제시했습니다.

이는 산업적인 합성 화학에서 오랫동안 도전적인 과제였습니다.