토성 위성 타이탄에서 발견된 분자

태양계 위성 중 유일하게 풍부한 대기를 가진 것으로 알려진 토성의 위성 타이탄에 관한 연구를 통해 타이탄의 극저온 환경 하에서는 통상 양립할 수 없다고 여겨지는 분자가 결합해 태양계에서 지금까지 본 적 없는 고체를 형성할 가능성이 있다고 제시됐다. 이는 화학 기본 원칙에 반하는 결과로 타이탄의 과학적 특이성이나 생명 기원에 관한 중요한 발견으로 주목받고 있다.

타이탄은 지구 이외에 유일하게 지표면에 액체가 안정적으로 존재하는 게 확인됐으며 타이탄의 호수는 액화 메탄이나 액화 에탄으로 구성되어 있다. 이런 액체 탄화수소 호수는 생명 탄생에 필요한 복잡한 화학 반응을 포함하고 있어 생명이 탄생할 수 있는 조건을 이해하는 데 도움이 될 것으로 여겨진다.

생명 탄생에 중요한 기초가 되는 게 시안화수소(HCN)다. 시안화수소는 타이탄 대기와 표면에 풍부하게 존재하며 적절한 조건 하에서 핵산염기나 아미노산과 같은 생명 구성 요소가 되는 화합물을 형성할 수 있는 가능성이 있다.

미항공우주국 나사(NASA) 연구진은 타이탄의 극저온 환경 하에서 시안화수소 등 물질 거동을 조사하고 있었다. 타이탄 표면 온도와 일치하는 -180도 환경에서는 시안화수소가 결정화되고 메탄과 에탄은 액체나 기체로 존재한다. 연구진은 타이탄 표면 온도에서의 실험이 종료되고 얻어진 혼합물을 분석한 결과 통상 환경과는 다른 형태가 됐다는 걸 발견했다. 이에 스웨덴 찰머스 공과대학 연구팀에 의뢰해 이론적 및 실험적 협력을 진행했다.

보통 극성 분자인 시안화수소와 비극성 분자인 메탄이나 에탄은 상호작용이 약해 결정 격자 내에서 안정적으로 혼합되는 경우가 거의 없다. 따라서 상온 조건에서는 극성 물질과 비극성 물질 혼합은 거의 일어나지 않는다는 게 화학의 기본적인 이해다.

하지만 -180도 실험 환경에서 시안화수소 결정을 성장시키고 메탄, 에탄, 프로판, 부탄 등 액체 탄화수소를 결정 내에 도입한 뒤 라만 분광법을 이용해 분자의 진동을 기록한 결과 메탄과 에탄에 노출된 뒤 시안화수소 진동에 작지만 명확한 변화가 기록됐다. 그 결과 메탄과 에탄이 시안화수소의 결정 격자 내에 포함되어 격자와 상호작용하는 공결정 구조를 형성한 것으로 밝혀졌다.

이 실험 결과는 극성 분자와 비극성 분자는 섞이지 않는다는 화학 기본 법칙에 반하는 것으로 상온에서는 거의 일어나지 않는 극성 분자와 비극성 분자 공존이 극저온 조건에서는 격자 내에 포함되는 형태로 가능해짐을 보여준다.

연구팀은 이런 물질 간에 예기치 않은 상호작용이 있다는 발견은 타이탄 지질, 호수, 바다, 모래 언덕 등 기묘한 지형에 대한 이해에 영향을 줄 가능성이 있다고 이번 발견 의의를 밝혔다. 연구진은 조건을 적절히 조정하면 시안화수소와 공결정을 형성할 가능성이 있는 다른 분자를 발견하는 걸 향후 과제로 제시했다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.