새로운 분자, 인공 광합성을 현실에 가깝게 만들다

자연 광합성 대체

직접적이든 간접적이든, 우리가 사용하는 에너지의 대부분은 광합성을 통해 생산되었습니다.

이는 물론 우리 몸에 에너지를 공급하는 칼로리에도 해당되지만, 궁극적으로는 수억 년 전에 죽은 식물들의 ‘저장된’ 광합성인 화석 연료에도 적용됩니다.

따라서 에너지와 식품 시스템을 더 친환경적으로 만들기 위한 많은 노력은 자연 광합성을 개선하거나 조류에서 바이오연료를 만드는 등 새로운 용도로 활용하는 데에 집중되었습니다.

이를 대규모로 구축하는 것은 대기 중 증가하는 CO2 농도를 제한하는 데 핵심적인 역할을 할 수 있습니다.

하지만 살아있는 유기체를 다루지 않고도 광합성 과정을 모방할 수 있다면 어떨까요? 결국 이것은 반드시 살아있는 세포가 필요하지 않은 전기화학적 과정입니다. 이것이 이른바 ‘인공 광합성’이 약속하는 바입니다.

이는 태양광을 전기로만 변환하는 기존의 광전 기술보다 한 단계 높은 수준으로, 햇빛을 직접 화학 반응에 활용할 수 있게 해줍니다.

일부 진전이 있었으며, 광합성 유사 수소 생산을 향한 눈에 띄는 진전이 있었습니다만, 보다 근접한 복제에는 추가 작업이 필요합니다.

자연에서 광합성이 작동하는 방식

식물에서 광합성은 대략 가장 단순한 형태로, 이산화탄소와 물을 흡수하고 빛을 에너지원으로 사용하여 탄수화물과 산소를 생산하는 과정입니다.

출처: Britannica

언뜻 보기에는 이것을 매우 간단한 화학 방정식으로 축소하고 인공적으로 쉽게 복제할 수 있을 것처럼 보입니다.

출처: Britannica

실제로 수행되는 방식을 살펴보면 이야기가 달라집니다.

식물 광합성은 실제로 수십 개의 중간 반응과 무수히 많은 하위 구성 요소, 그리고 복잡한 전자 이동을 포함하는 때로는 잘 이해되지 않은 분자 메커니즘을 가진 가장 복잡한 생화학적 기계 중 하나입니다.

브리태니커 백과사전에서 이 주제에 대한 합성 설명은 10,000단어에 달합니다.

이를 연구하는 과학자들은 광합성에 대한 개요를 잡기 위해서도 훨씬 더 복잡한 도식을 다루어야 합니다:

출처: Lumen Learning

주로 자연에서 탄수화물을 생성하는 데 사용되지만, 이론적으로는 빛을 에너지원으로 활용하여 물에서 수소를 합성하는 등(광촉매) 다양한 다른 응용에도 사용할 수 있습니다.

빛에 의해 유도된 전자와 이온 이동의 유사한 과정은 인공적으로 당을 생성하는 데에도 활용될 수 있습니다. 이는 스위스 바젤 대학의 세 명의 과학자들이 연구하고 있는 아이디어이며, 그들은 최근 Nature Chemistry¹에 인공 광합성에 사용할 수 있는 새로운 분자에 관한 결과를 발표했으며, 제목은 “분자 화합물에서 광유도 이중 전하 축적”입니다.

인공 엽록소 구축

다중 전하 분자

자연 광합성은 일련의 전기화학 반응에 의존합니다. 따라서 분자가 동시에 양전하와 음전하를 가지고 있는 이른바 전하 분리 상태(CSS)가 필요합니다.

특히 연료 생성 반응은 하나가 아닌 다수의 전자를 필요로 하는데, 이는 현재까지 인공 광합성 시스템이 달성할 수 있는 최선이었습니다.

특히 CO2 환원에는 다중 전자 전달이 필수적인 것으로 보이며, 이 때문에 지금까지 대부분의 인공 광합성 솔루션은 대신 수소 생산에 초점을 맞추었습니다.

스위스 연구진의 발견은 여기서 변화를 일으키며, 빛 조사 하에 동시에 네 개의 전하(양전하 두 개와 음전하 두 개)를 생성하고 저장할 수 있는 특수 분자를 만들었습니다.

출처: Nature

작동 원리

이 분자는 빛에 민감한 중심 부위를 가지고 있어 빛에 반응해 전자 이동을 일으킵니다. 연구진은 두 번의 빛 플래시를 이용한 순차적 접근법을 사용했습니다.

첫 번째 빛 플래시는 분자에 닿아 양전하와 음전하가 생성되는 반응을 촉발하고, 이 전하들은 분자의 반대쪽 끝으로 이동합니다.

두 번째 빛 플래시가 진행되면 동일한 반응이 다시 일어나, 분자는 두 개의 양전하와 두 개의 음전하를 갖게 됩니다.

출처: Nature

향상된 빛 감도

빛을 2단계로 사용하는 순차적 단계는 분자 양쪽 끝에 이중 전하를 축적하는 데 중요할 뿐만 아니라 각 단계에 필요한 에너지를 감소시켜 이전보다 낮은 빛 강도에서도 작동할 수 있게 합니다.

출처: Nature

“그 결과, 우리는 이미 햇빛 강도에 가깝게 움직이고 있습니다.

이전 연구는 매우 강한 레이저 빛을 필요로 했으며, 이는 인공 광합성이라는 비전과는 거리가 멀었습니다.

Mathis Brändlin – 바젤 대학교 박사과정 학생

왜 이 분자가 중요한 진전 단계인가

이 새로운 분자의 또 다른 특징은 충분히 긴 시간 동안 전하를 유지하여 추가 화학 반응을 구동할 수 있다는 점이며, 이는 완전한 인공 광합성 시스템에 필수적입니다.

“우리는 퍼즐의 중요한 조각을 확인하고 구현했습니다.

이것이 지속 가능한 에너지 미래를 위한 새로운 전망에 기여하는 데 도움이 되기를 바랍니다.

Pr. Oliver Wenger – 바젤 대학교

120마이크로초의 전하 유지 시간(이전보다 천 배에서 백만 배 정도 향상)으로, 이는 화학 반응에 충분히 충분하지만 이상적인 지속 시간은 초 단위로 측정될 수 있습니다.

따라서 과거 실험에서 사용된 단일 전하 또는 한 종류의 전하만을 가진 광감응 분자와 비교했을 때, 이는 현재까지 인공 광합성 개발에 가장 유망한 분자입니다.

디자인을 추가로 조정하면 자연광 강도에서 작동하거나 전하를 더 오래 유지하는 능력을 향상시킬 수 있습니다.

아직 설계되지 않은 인공 광합성 과정의 또 다른 핵심 요소는 고에너지 여기 상태를 가진 색소와 물 분해 또는 CO2 환원을 위한 충분한 산화환원력을 제공하는 적절한 촉매입니다.

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지속 가능한 혁신에 투자하기

DuPont

DuPont는 Kevlar, Styrofoam, Nomex(방화), Great Stuff(건축용 접착제) 등과 같은 많은 중요한 브랜드 화학 제품을 보유한 대규모 화학 기업입니다. 그들의 첨단 폴리머 연구와 보호 소재 브랜드는 이중 네트워크 메타머티리얼 기술로부터 이익을 얻을 수 있는 위치에 있습니다.

DuPont는 복잡한 인수 역사를 가진 오래된 기업이며, 최근에는 일련의 분할을 진행했습니다.

출처: DuPont

이러한 분할로 인해 DuPont는 영양 및 바이오과학 부문을 Corteva Biosciences(CTVA -0.95%)에 일부 매각하고, 티타늄 제품을 Chemours Company(CC -1.05%)로 전환했으며, 모빌리티 부문도 분리되었습니다.

2025년 11월에 전자 화학 사업부도 분리할 예정입니다, 그러나 이전 계획과 달리 물 부문(수처리 및 탈염용 막과 필터)은 유지합니다.

출처: DuPont

이로써 DuPont는 물 정화 및 보호 장비용 첨단 폴리머와 항공우주, 의료, 전기차용 첨단 소재에 핵심 활동을 집중하는 보다 전문화된 기업이 됩니다.

출처: DuPont

DuPont는 물 정화와 산업 제조 분야에서 특수 화학 물질에 대한 높은 수요를 가진 진정한 국제 기업입니다.

DuPont 화학 제품이 제공되는 분야는 건설, 물 정화, 전자 산업, 자동차, 항공우주, 의료, 친환경 에너지, 산업 생산 등 매우 다양합니다.

출처: DuPont

인공 광합성과 관련하여, 이 화학 회사는 학계와의 파트너십, 특히 펜실베니아 대학교와의 협력을 통해 기술 개발에 매진하고 있습니다.

“이 협업 연구의 목표는 광활하게 적용 가능한 계산 프로토콜을 개발하여 … 물을 효율적으로 수소와 산소로 분해할 수 있는 광활성 물질의 선정을 가속화하는 것입니다.”

보호 장비 분야에서 DuPont의 강력한 존재감과 고성능 폴리머인 Kevlar 브랜드의 확립된 입지는 새로운 형태의 메타머티리얼을 상업 제품으로 적용하는 데 도움이 될 것입니다. 또한 친환경 에너지 분야에서의 존재감은 최종적인 인공 광합성 상업 프로세스를 위한 화학 물질의 상용화에도 기여할 것입니다.

어쨌든 새로운 기술과 물 소비가 증가함에 따라 DuPont가 생산하는 첨단 화학 물질에 대한 수요도 증가하고 있습니다.

최신 Dupont (DD) 주식 뉴스 및 개발

참조 연구

^{1. Brändlin, M., Pfund, B. & Wenger, O.S. 분자 화합물에서 광유도 이중 전하 축적. Nature. Chemistry. (2025). https://doi.org/10.1038/s41557-025-01912-x}