보스턴에도 가끔 햇볕이 비치긴 한다. 하지만 이렇게까지는 아니다.
화학 교수 그레이스 한이 몇 년 전 보스턴에서 남부 캘리포니아를 처음 방문했을 때, 그녀는 차이를 느꼈다. 몇 시간만 밖에 있어도 피부가 따끔거리며 자극의 첫 징후가 나타나는 것을.
작년에 그녀는 캘리포니아 대학교 산타바바라에서 일자리를 얻기 위해 이사했고, 정기적으로 챙이 넓은 모자, 선글라스, 그리고 충분한 양의 선크림을 바르기 시작했다. 화학 교수로서 그녀는 이미 조사를 해두고 있었다.
"저는 그냥 DNA 광화학에 대해 읽고 있었어요. 취미로요." 그녀는 회상한다.
그때 그녀는 햇볕에 탄 사람들의 피부에서 손상된 DNA 분자가 그녀를 도울 수 있다는 것을 깨달았다. 그 분자들은 태양에 조사되면 모양이 변하여, 원래 형태의 변형된 버전으로 구부러진다.
수십 년 동안 과학자들은 모양을 비틀어 에너지를 저장하고, 필요할 때 원래 모양으로 되돌아가 저장된 에너지를 방출할 수 있는 분자를 찾아왔다.
마치 쥐덫을 설치했다가 나중에 발동시키는 것과 비슷하다. 이는 분자 태양열(Most) 에너지 저장으로 알려져 있으며, 잠재적으로 매우 저렴하고 배출가스 없는 열 공급 방식이다. 이러한 Most 시스템은 에너지를 수개월 또는 수년 동안 저장할 수 있다.
연구자들은 이전에 이 기술로 제한적인 성공을 거두었지만, 캘리포니아 태양 덕분에 한은 다음에 무엇을 시도해야 할지 알았다.
에너지 저장 분자의 모양 변화를 부드럽고 반복 가능한 방식으로 활성화하는 것이 중요하다.
운 좋게도 수백만 년의 진화가 우리 피부에서 이 과정을 완벽하게 만들어 놓았다. 어떤 의미에서 우리 모두는 살아있는 화학 실험실이다. 우리 피부의 DNA 분자는 photolyase라는 효소의 도움으로 태양에 의해 뒤틀린 모양을 복구할 수 있도록 진화했다.
그리고 그러한 분자들은 에너지 저장 시스템에 완벽한 후보라고 한은 깨달았다. "그들은 매우, 매우 작아요." 그녀는 설명한다. "그리고 단위 질량당 엄청난 양의 에너지를 저장할 수 있어요."
2월에 발표된 논문에서 그녀와 동료들은 지금까지 이런 종류의 가장 유망한 에너지 저장 시스템을 설명했다. 적어도 에너지 밀도 측면에서는 그랬다. 그것은 바이알 속의 "아주 작은 주전자"가 소량의 물을 빠르게 끓일 수 있을 정도로 강력했다고 한은 말한다.
그 연구의 그 부분을 수행한 그녀의 학생들은 그 결과를 그녀에게 알리기 위해 달려갔다. "실제로 비디오를 보고 얼마나 빨리 전체 용액이 끓는지 보았을 때, 정말 놀라웠어요." 한은 회상한다.
그녀는 분자가 어떻게 작동할지 예측하는 컴퓨터 분석이 작업에 결정적이었다고 강조한다. 그 분석은 캘리포니아 대학교 로스앤젤레스의 협력자 켄달 훅과 그의 팀이 수행했다.
동료 Most 실험자 카스퍼 모스-풀센은 스페인 바르셀로나 폴리테크닉 대학과 다른 기관에서 연구팀을 이끌고 있으며, 이 연구에는 참여하지 않았지만 결과에 깊은 인상을 받았다.
"우리의 최고 시스템은 1메가줄[킬로그램당 에너지]이었다고 생각합니다. 그들은 1.6을 달성했는데, 정말 놀랍습니다." 그는 한과 동료들이 달성한 에너지 밀도를 언급하며 말한다.
그들의 2월 논문에 기록된 킬로그램당 1.65메가줄은 현재 휴대폰과 전기 자동차에 가장 널리 사용되는 배터리 유형인 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도보다 훨씬 높다.
한과 동료들이 고안한 Most 시스템에는 몇 가지 한계가 있다. 우선, 설정의 핵심 분자가 모양을 바꾸도록 하는 빛의 파장은 300나노미터로, "매우 강한 자외선"의 한 형태라고 랭커스터 대학의 존 그리핀은 말한다. "그것은 태양으로부터 우리에게 오지만 아주 소량만 옵니다."
게다가, 뒤틀린 분자의 모양을 되돌려 에너지를 방출하기 위해 사용된 촉매는 염산이었다. 사용 후 중화되어야 하는 매우 부식성 있는 물질이다. "가장 이상적인 선택은 아닙니다." 한은 인정한다.
그녀는 시스템의 반응성을 개선할 수 있기를 희망한다고 말한다.