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2016 노벨상④
작게, 더 작게! 가장 작은 기계로 여는 새로운 세상

2016년 노벨 화학상

스웨덴 왕립과학원 노벨위원회는 10월 5일 분자 기계(molecular machine)를 연구한 장 피에르 소바주(프랑스 스트라스부르대 교수, 프레이저 스토다트 미국 노스웨스턴대 교수, 베르나르트 페링하 네덜란드 흐로닝언대 교수를 2016년 노벨화학상 수상자로 선정했다. 수상이유로는 분자 기계의 합성과 디자인의 연구가 분자 단위에서의 움직임을 제어하고 작업 수행을 가능케 했다며 이는 소형화 기술의 혁명으로 이어질 것이라고 설명했다.

분자 기계란?

분자 기계는 유용한 물질구조를 조립할 수 있는 분자의 집합체이다. 외부 자극, 즉 에너지에 따라 분자의 움직임을 조정해서 기계처럼 움직일 수 있도록 만든 특수한 형태의 분자를 말한다. 인간의 근육처럼 늘어나고 수축할 수 있을 뿐만 아니라 위로 상승하고 회전도 가능하다. 크기는 10nm(나노미터·1nm는 10억 분의 1m)로 머리카락 굵기 수천분의 1에 불과해 ‘세상에서 가장 작은 기계’로 불린다. 보통 분자들은 원자들이 서로 전자를 공유하면서 강하게 결합하는 공유 결합으로 연결된다. 하지만 분자 기계는 화학적 결합이 아니라 기계적인 결합을 이룬 것으로, 각 분자가 연결된 뒤에도 자유롭게 움직일 수 있다.

장 피에르 소바주

장 피에르 소바주 교수는 1983년 2개의 고리형 분자를 서로 연결해 하나의 체인을 만드는 데 성공하며 새로운 연구 분야의 서막을 알렸다. 기계적 결합으로 맞물린 도넛 모양의 탄화수소 고리들이 서로 자유롭게 움직일 수 있도록 설계된 캐터네인이라는 체인이다. 이 체인은 보통 분자들의 결합 방법인 화학적 결합(원자들이 전자를 공유하며 결합하는 공유 결합)이 아닌 기계적 결합으로, 각 분자가 연결된 이후에도 자유롭게 움직일 수 있다는 장점이 있다. 이는 최초의 비생물학적인 분자 기계로서의 상징성 또한 가진다.

프레이저 스토다트

그 후, 1991년 프레이저 스토다트 교수는 로탁세인이라는 얇은 실 모양의 분자에 고리형 분자를 꿴 체인을 발견했다. 그는 고리형 분자가 실 모양의 분자에 꿰어진 채로 움직일 수 있다는 사실도 증명했다. 고리 분자의 움직임을 통제할 수 있는 화학적 기술의 개발은 엘리베이터처럼 분자가 양 방향으로 움직일 수 있도록 구현했다. 이를 이용한 분자 리프트, 분자 근육, 분자 기반의 컴퓨터 칩도 개발되었다.

베르나르드 페링하

베르나르드 페링하 교수는 1999년 분자 모터를 최초로 개발했다. 같은 방향으로 계속 회전하는 분자 날개를 개발하는 데 성공하며 분자의 일부가 화학적 에너지로 회전 운동을 하는 진짜 모터를 개발하였다. 또, 분자 모터를 이용하여 1만 배 큰 유리 실린더를 회전시키는 데도 성공했다. 이와 더불어 2011년에는 분자로 이루어진 나노 자동차도 만드는 데도 성공했는데 돌아가는 분자 모터를 바퀴로 장착해 앞으로 나아가게 하는 방법이다. 이후에도 끊임없는 연구로 2014년 이 모터가 1초에 1,200만 번 회전할 수 있도록 발전시킨다.

분자 기계가 갖는 의미

분자 기계는 기계 소형화 기술 혁명의 시발점으로 여겨진다. 새로운 물질, 센서, 에너지 저장 시스템 개발에 이용될 수 있을 것이라 예상되기 때문이다. 또, 주머니처럼 볼록한 부분이 있어서 환경에서 유해물질을 분리하는 데 사용할 수 있다. 수은 등 중금속을 포집해 밖으로 끌어내는 작업뿐만 아니라, 암세포 치료제에도 적용할 수 있다. 또한, 실용성에 중심을 뒀던 노벨상 위원회가 화학의 창조성과 예술성을 인정했다는 의미도 있다. 수상자의 분자는 기하학적으로 만들기 어려운 구조라며 창조적이고 예술적이라는 평가도 받았기 때문이다.

고등부 학생기자 손예원(NAIS Y12)