중수

3. 다른 형태의 무거운 물

Heavy oxygen water^영어라고도 불리는 중산소수는 산소의 무거운 동위원소(¹⁷O, ¹⁸O)를 포함하는 물이다. 일반 물보다 밀도가 높기 때문에 "중수"라고 할 수 있지만, 중수소(²H)가 갖는 특이한 핵 및 생물학적 특성을 갖게 하는 과량의 중수소를 포함하지 않기 때문에 중수로 불리는 경우는 드물다.^{[10] 17}O와 ¹⁸O의 분리가 더 어렵기 때문에 D₂O보다 더 비싸다.^[10] H₂¹⁸O는 방사성의약품 및 방사성 추적자와 양전자 방출 단층 촬영에서 플루오린-18의 생산에도 사용된다. 소량의 ¹⁷O와 ¹⁸O가 물에 자연적으로 존재하며, 중수를 농축하는 대부분의 과정은 산소의 무거운 동위원소도 부수적으로 농축시킨다. 이는 중수가 핵 반응기의 중성자 감속재로 사용될 경우 바람직하지 않다. ¹⁷O가 중성자 포획을 거쳐 알파 입자를 방출하여 방사성 ¹⁴C를 생성할 수 있기 때문이다. 그러나, 중수소와 무거운 산소를 모두 포함하는 이중 표지 물은 비방사성 동위원소 추적자로 유용하다.

삼중수소화 물은 프로튬(¹H) 또는 중수소(²H) 대신 삼중수소(³H)를 포함한다. 삼중수소는 방사성이기 때문에 삼중수소화 물(T₂O) 또한 방사성을 띤다.^[98][99]

4. 물리적 성질

중수(D₂O)는 일반적인 물(경수, H₂O)과 비교했을 때 물리적 성질에서 몇 가지 차이를 보인다.

• 녹는점과 끓는점: 중수는 경수보다 녹는점(3.82°C)과 끓는점(101.4°C)이 더 높다.^[100]
• 밀도: 중수는 경수보다 밀도가 약 10.6% 더 높다. 이러한 밀도 차이 때문에 중수로 만든 얼음은 일반 물에 가라앉는다.^[17]
• 점성: 중수는 경수보다 점성이 더 크다.^[100]
• 맛: 1935년의 한 실험에서는 일반 물과 중수 사이의 맛에 차이가 없다고 보고되었으나,^[18] 최근 연구에서는 중수가 TAS1R2/TAS1R3 맛 수용체를 통해 단맛을 낸다는 결과가 보고되었다.^[19]
• 색: 중수는 경수와 달리 가시광선 영역에서 파란색을 띠지 않는다. 이는 중수가 경수와 달리 적색광을 흡수하지 않기 때문이다.^[22]

5. 역사

1931년 미국의 과학자이자 노벨상 수상자인 해럴드 유레이는 중수소를 발견했다.^[23] 1933년 길버트 뉴턴 루이스는 전기 분해를 통해 순수한 중수를 분리했다.^[24] 1934년 조지 드 헤베시는 인체 내 물의 회전율을 추정하기 위해 중수를 사용한 생물학적 추적 실험을 진행했다.^[25]

제2차 세계 대전 중, 스웨덴 Ljungaverk의 Fosfatbolaget 회사는 연간 2300L의 중수를 생산했다. 이 중수는 그램당 1.4스웨덴 크로나의 가격으로 독일과 맨해튼 계획에 판매되었다.^[29]

1939년 소련 물리학자 야코프 보리소비치 젤도비치와 율리 보리소비치 하리톤은 중수와 탄소가 천연 우라늄 원자로에 적합한 유일한 감속재라고 결론 내렸고, 1940년 게오르기 플료로프와 함께 러시아 과학 아카데미에 원자로에 15톤의 중수가 필요하다는 계산을 담은 계획을 제출했다. 당시 소련에는 우라늄 광산이 없었기 때문에, 젊은 아카데미 직원들이 레닌그라드의 사진 상점에 우라늄 질산염을 구입하러 보내졌지만, 1941년 바르바로사 작전 중 독일군이 침공하면서 중수 프로젝트는 전면 중단되었다.

1943년 소련 과학자들은 중수에 관련된 모든 과학 문헌이 서방에서 사라졌다는 것을 발견했고, 플료로프는 요시프 스탈린 소련 지도자에게 이 사실을 서한으로 경고했다.^[30] 당시 소련 전체에는 2~3kg의 중수밖에 없었다. 1943년 말, 미국 주재 소련 구매 위원회는 1kg의 중수를 확보했고, 1945년 2월에 추가로 100kg을 확보했으며, 제2차 세계 대전이 끝나자 NKVD가 이 프로젝트를 인수했다.

1946년 러시아 알소스의 일환으로 NKVD는 전쟁 중 중수 생산에 참여했던 독일 과학자들을 독일에서 소련으로 이송했는데, 여기에는 Girdler 황화물 공정의 발명자인 카를-헤르만 가이프가 포함되었다.^[31] 이 독일 과학자들은 독일 물리 화학자 막스 폴머의 감독하에 모스크바의 물리 화학 연구소에서 연구했으며, 그들이 건설한 공장은 1948년까지 대량의 중수를 생산했다.^[61][32]

6. 생물학적 영향

중수는 생체 내에서 다양한 방식으로 영향을 미친다. 우선, 효소는 활성 중심과 그 주변에서 수소 결합을 통해 3차 구조를 안정화하는데, 중수소를 포함하는 수소 결합은 일반 수소 결합보다 강해서^[33] 세포 내 정상적인 반응을 방해한다.

특히 중수는 진핵생물의 세포 분열에 필요한 분열 방추체 형성에 큰 영향을 미친다. 중수는 진핵세포의 세포 분열을 억제하기 때문에^[34] 식물은 중수만 주어지면 성장을 멈추고 씨앗 발아가 억제된다.^[34] 담배는 발아하지 않지만, 밀은 발아한다.^[35] 중수소 세포는 더 크고 분열 방향이 달라진다.^[36][37] 세포막도 변하며 중수의 영향에 먼저 반응한다. 1972년에는 물 속 중수소 비율이 증가하면 식물 성장이 감소한다는 것이 밝혀졌다.^[38]

원핵생물 미생물은 인공적인 중수소 환경에서 물의 모든 수소 원자가 중수소로 대체될 수 있다.^[39][40] 실험 결과 박테리아는 98% 중수소 환경에서도 생존할 수 있었다.^[41] 50% 이상의 농도는 다세포 유기체에게 치명적이지만, 일부 예외도 있다. 스위치그래스 (''Panicum virgatum'')는 50% D₂O에서,^[42] ''Arabidopsis thaliana''는 70% D₂O에서,^[43] ''Vesicularia dubyana''는 85% D₂O에서,^[44] ''Funaria hygrometrica''는 90% D₂O에서,^[45] 무수생물 선충 ''Panagrolaimus superbus''는 거의 100% D₂O에서 생존 및 생장할 수 있다.^[46]

분열 효모 ''Schizosaccharomyces pombe'' 연구에서는 고농도 중수가 세포의 포도당 대사를 변화시키고 성장을 느리게 한다는 것이 밝혀졌다.^[47] 또한 세포는 열 충격 반응 경로와 세포 통합성 경로를 활성화하고, 세포 통합성 경로의 돌연변이는 중수에 대한 내성을 증가시켰다.^[47] 중수는 특정 효모의 수명을 최대 85%까지 연장하기도 하는데, 이는 활성 산소 종의 회전을 감소시키기 때문으로 추정된다.^[48]

중수는 일주기 리듬 주기를 늘리는 효과가 있다. 이는 단세포 생물, 녹색 식물, 등각류, 곤충, 조류, 생쥐, 햄스터에서 확인되었다.^[49]

에탄올처럼 중수는 전정 기관 컵관의 상대 밀도를 변화시켜 위치성 안진, 회전 환상, 현기증, 메스꺼움을 유발할 수 있다. 하지만 안진 방향은 에탄올과 반대이다.^[50]

실험 결과, 25% 중수소화는 생식 세포나 접합자 발달을 막아 불임을 유발한다.^[51] 높은 농도의 중수(90%)는 물고기, 올챙이, 편형동물, ''초파리''를 빠르게 죽게 한다.^[52] 포유류(예: 쥐)는 체내 수분이 약 50% 중수소화되면 일주일 후 사망하는데,^[53] 이는 세포독성 화학 요법이나 급성 방사선 증후군과 유사하게 세포 분열 억제 작용 때문이다. 중수는 정상 세포보다 악성 세포에 더 독성이 있지만, 농도가 너무 높아 사용이 어렵다.^[51] 중수소 중독 포유류는 골수 기능 부전(출혈, 감염) 및 장벽 기능 부전(설사, 체액 손실)으로 사망한다.

원핵생물은 중수소 유도 세포 분열 문제가 없어 완전 중수소화 조건에서 성장, 증식하여 모든 수소 원자가 중수소로 대체될 수 있다.^[51][54] ''대장균''과 ''토룰라''는 완전 중수소화된 포도당을 생산하며, 더 복잡한 완전 중수소화된 화학 물질 생산이 가능하다. ''아스페르길루스'' 같은 곰팡이는 불가능하다.^[52]

고등 생물은 다른 비방사성 무거운 동위원소(탄소-13, 질소-15, 산소-18 등)로 완전 치환이 가능하지만, 중수소는 불가능하다. 이는 수소 동위원소 간 핵 질량비가 크기 때문이다.^[55]

중수소 산화물은 붕소 중성자 포획 요법을 강화하는데 사용되지만, 이는 중수소의 생물학적/화학적 효과가 아닌 중성자 감속 능력 때문이다.^[51] 중수소 산화물(30% 식수 보충) 전신 투여는 쥐 모델에서 종양 성장을 억제하며, 종양 세포에서 세포 스트레스 신호 전달 및 유전자 발현을 유도한다.^[56]

중수를 이용한 독극물 중독은 어렵다. 중독은 희생자가 독성 효과를 나타내기 위해 장기간 정상 물 섭취 없이 다량의 중수를 섭취해야 한다. 수 그램의 경구 투여량 중수 및 O|산소^영어-18(doubly labeled water^영어 검사 참조)는 인간 대사 실험에 사용된다. 신체 중수소 양을 두 배로 늘리려면 대략 5.5g의 순수한 중수가 필요하다.

혈압 감소는 중수 섭취 시 어지럼증 발생을 설명할 수 있다. 그러나 이 증상은 변화된 전정 기관 기능 때문일 가능성이 높다. 중수는 에탄올처럼 반고리관 내 림프액 밀도 차이를 유발, 전정안 반사를 혼란시켜 멀미를 유발한다.^[58]

순수한 중수는 방사능을 띠지 않는다. 상업용 중수는 미량의 삼중수소로 약간의 방사능을 띠지만, 일반 물도 마찬가지다. 핵발전소 냉각재로 사용된 중수는 중수소에 중성자가 충돌하여 삼중수소를 더 많이 함유하며, 삼중수소는 대량 섭취 시 건강에 위험하다.

1990년, 캐나다 Point Lepreau 원자력 발전소 직원이 중수 시료를 식당 음료 디스펜서에 넣어 8명이 오염된 물을 마셨다. 직원들은 소변 샘플에서 삼중수소 수치가 상승했다. 중수 양은 중수 독성 유발 수준보다 낮았지만, 여러 직원이 삼중수소와 중성자 활성화된 화학 물질로 방사선 피폭을 받았다.^[59] 이는 중수 중독이 아닌, 중수 내 다른 동위원소에 의한 방사능 중독이었다.

중수는 물성 및 반응 속도가 경수와 다르다. 음료수 등으로 대량 섭취하면 효소 반응 등 생체 반응에 실조를 일으킨다. 포유류의 경우 25% 중수는 불임을, 50%는 치사적이다^[99]. 인간은 수분 섭취량 10% 초과 시 문제가 발생한다는 추측이 있다^[98]. 중수 속에서 어류는 살 수 없고, 식물 발아와 성장도 정지한다.^[98]. 조류와 박테리아는 100% 중수에서도 생존 가능하다.^[99].

중수는 생물 일주기 리듬에 영향을 미친다. 단세포 생물, 식물, 곤충, 조류, 마우스에서 중수 섭취로 일주기 리듬이 길어지는 것이 확인되어, 세포 내 일주기 리듬 발생 메커니즘 연구에 사용된다.

인간이 중수를 핥으면 달게 느껴지며, 경수와 구별된다. 2021년 문헌에서 분자 동역학법 시뮬레이션, 세포 실험, 마우스 모델, 인간 피험자 연구 결과, 인간 단맛 리셉터에 중수가 작용, 활성화되어 인간에게 중수가 달게 느껴진다는 것을 밝혔다. 마우스는 달게 느끼지 않는다. 중수가 이런 작용을 일으키는 이유는 2021년 현재 해명되지 않았다^[102].

7. 응용

• '''원자력:''' 중수는 특정 유형의 원자로에서 중성자 감속재 역할을 하여 중성자의 속도를 늦춘다. 이를 통해 핵분열성 우라늄-235가 핵분열 없이 중성자를 포획하는 우라늄-238보다 더 쉽게 반응하도록 한다. CANDU 원자로는 이 설계를 사용하며, 중수로에서 천연 우라늄을 핵 연료로 사용할 수 있다.^[95]
• '''화학:''' 중수는 수소를 관심 핵종으로 사용하는 핵자기 공명 분광법(NMR)에 용매로 사용된다. 중수소는 수소-1과 다른 자기 모멘트를 가지므로 수소-1 공명 주파수에서 H-NMR 신호에 기여하지 않는다. 또한, 중수는 유기 화합물의 특정 동위체를 제조하기 위한 중수소의 공급원으로 사용된다.^[94]
• '''생물학:''' 중수는 용액 상태의 단백질 FTIR 스펙트럼을 수집할 때 물 대신 자주 사용된다. HO는 단백질의 아미드 I 영역과 겹치는 강한 띠를 생성하는 반면, DO에서 나오는 띠는 아미드 I 영역에서 벗어난다.

8. 생산

칼-헤르만 가이프와 제롬 S. 스페백이 1943년에 공동으로 개발한 이중 온도 교환 황화물 공정(Girdler 황화물 공정)은 중수 생산에 있어 가장 비용 효율적인 공정으로 알려져 있다.^[61] 또 다른 공정으로는^[62] 레이저를 사용하여 중수소화된 수소플루오르화탄소를 선택적으로 해리시켜 중수소 플루오르화물을 형성하고, 이를 물리적 방법으로 분리하는 방식이 있다. 이 방식은 에너지 소비량은 적지만, 현재는 원료 조달 비용 문제로 경제성이 떨어진다.

• 걸들러 황화물 공정
• 레이저를 이용한 방식

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