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[질토과+짧강] 👨‍💻화학자, 무엇을 합성해야 할까? by 이윤호｜2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 7강

합성화학은 단순히 물질을 섞는 과정을 넘어, 세상에 없던 새로운 분자를 창조하는 학문입니다. 직접 분자를 설계하고 합성하지 않는다면 측정할 대상도, 모델링할 현상도 존재하지 않기에 합성은 모든 화학 연구의 출발점이라 할 수 있습니다. 유기합성이 탄소를 중심으로 생명의 기초를 다룬다면, 무기합성은 금속을 포함한 다양한 원소로 영역을 확장하며 우리 삶을 지탱하는 수많은 소재의 근간을 마련합니다. 이는 현대 문명을 구성하는 모든 물질적 토대를 쌓는 일과 같습니다. 인공지능과 자동화 기술의 발전은 합성화학의 미래에 대한 새로운 질문을 던집니다. 하지만 합성은 단순히 레고 블록을 조립하듯 결과물만을 향해 달려가는 단거리 경주가 아닙니다. 분자를 만들어가는 긴 여정 속에서 예상치 못한 반응을 목격하고, 우연한 발견을 통해 새로운 과학적 원리를 깨닫는 과정은 오직 인간만이 경험할 수 있는 영역입니다. 효율성만을 강조하는 시스템에서는 놓치기 쉬운 이러한 '우회로의 미학'이야말로 합성화학이 단순한 기술을 넘어 하나의 깊이 있는 학문으로 존재해야 하는 이유를 증명합니다. 새로운 길을 개척하는 실험은 열 번 중 아홉 번의 실패를 동반하며, 수많은 변수를 조정하는 인내의 시간을 요구합니다. 실험실에서 홀로 보낸 시간 끝에 마침내 원하는 분자를 얻었을 때 느끼는 성취감은 학문적 진보로 이어지는 원동력이 됩니다. 비타민 B12 합성 과정에서 물리화학적 개념인 오비탈 대칭 이론이 정립된 사례처럼, 합성은 단순히 물질을 만드는 행위를 넘어 기초 과학의 지평을 넓히는 결정적인 역할을 수행해 왔습니다. 이러한 과정은 과학이 인간의 지적 호기심을 충족시키는 숭고한 활동임을 보여줍니다. 화학의 진정한 가치는 인류가 직면한 현실적인 불편함을 해결하는 데서 빛을 발합니다. 과거 하버-보슈법을 통한 암모니아 합성이 비료 생산으로 이어져 인류의 굶주림을 해결했듯이, 합성화학은 우리 삶의 질을 직접적으로 변화시킵니다. 고지혈증 치료제나 항암제 같은 의약품부터 스마트폰의 배터리와 디스플레이를 구성하는 핵심 소재에 이르기까지, 우리가 누리는 현대 문명의 편리함 뒤에는 보이지 않는 곳에서 분자를 설계하고 다듬어온 합성화학자들의 치열한 노력이 숨어 있습니다. 앞으로의 합성화학은 에너지 고갈과 환경 오염이라는 거대한 과제를 해결하는 데 집중해야 합니다. 식물의 광합성 원리를 모방하여 태양 에너지를 화학 에너지로 전환하는 인공 광합성 기술이나, 대기 중의 이산화탄소를 유용한 자원으로 바꾸는 연구는 지속 가능한 미래를 위한 필수적인 도전입니다. 단순히 부를 창출하는 수단을 넘어, 질병과 환경 문제로부터 인류를 보호하고 널리 인간을 이롭게 하는 물질을 만드는 것, 그것이 바로 현대 합성화학이 나아가야 할 궁극적인 지향점이자 과학자의 사명입니다.

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[질문과 토론의 과학 #27] 🕵️‍♀️몸속 촉매의 활약

화학 반응에서 자신은 변하지 않으면서 반응 속도를 조절하는 물질을 촉매라고 합니다. 일반적으로 우리는 반응을 빠르게 하는 촉매에 주목하는데, 이는 촉매가 반응물을 붙잡아 반응이 원활하게 일어나도록 돕기 때문입니다. 모든 화학 반응에는 '활성화 에너지'라는 일종의 고개가 존재합니다. 만약 이 에너지가 없다면 종이나 나무는 불을 붙이지 않아도 공기 중의 산소와 반응해 즉시 타버릴 것입니다. 촉매는 바로 이 활성화 에너지를 낮추어, 평소라면 일어나기 힘든 반응이 낮은 에너지 상태에서도 쉽게 시작될 수 있도록 돕는 마중물 역할을 수행합니다. 촉매의 위력은 인류 역사에서도 증명되었습니다. 대표적인 사례가 공기 중의 질소를 고정해 비료를 만드는 '하버-보슈법'입니다. 과거 인류는 식량 부족 문제로 큰 어려움을 겪었으나, 프리츠 하버와 칼 보슈가 개발한 촉매 공정 덕분에 대량의 질소 비료 생산이 가능해졌습니다. 이 공법은 수십억 인구의 생존을 책임지는 결정적인 역할을 했으며, 그 공로로 개발자들은 노벨 화학상을 받았습니다. 이처럼 촉매는 단순히 실험실 안의 화학 물질에 그치지 않고, 불가능해 보이던 자원 생산을 가능케 함으로써 인류 문명의 비약적인 발전을 이끌어낸 핵심적인 요소입니다. 우리 몸속에서도 촉매는 쉼 없이 활동하고 있으며, 이를 특별히 '효소'라고 부릅니다. 효소는 주로 단백질로 구성되어 있으며 생명 유지에 필수적인 다양한 화학 반응에 관여합니다. 예를 들어 세포 내에서 DNA를 복제하거나 유전 정보를 읽어 새로운 단백질을 합성하는 과정 모두가 효소의 촉매 작용 덕분에 가능합니다. 만약 우리 몸에 효소가 없다면 생명 활동에 필요한 복잡한 반응들이 제때 일어나지 못해 생존 자체가 불가능해질 것입니다. 즉, 효소는 우리 몸이라는 정교한 화학 공장이 멈추지 않고 돌아가게 만드는 생물학적 엔진과도 같은 존재입니다. 효소의 작용은 일상적인 신체 변화에서도 쉽게 찾아볼 수 있습니다. 술을 마셨을 때 알코올이 아세트알데하이드를 거쳐 산으로 분해되는 과정에는 두 가지 효소가 단계적으로 관여합니다. 특히 동양인은 이 효소들의 활성 차이로 인해 숙취를 유발하는 아세트알데하이드가 몸에 오래 머물기도 하는데, 이는 역설적으로 알코올 의존증을 예방하는 역할을 하기도 합니다. 또한 우리가 섭취한 고기 속 단백질을 아미노산으로 잘게 쪼개어 흡수하는 소화 과정 역시 효소의 부지런한 활동 결과입니다. 효소는 거대한 분자 결합을 끊어내는 데 필요한 에너지를 낮추어 영양분 흡수를 돕습니다. 효소가 발휘하는 반응 속도의 차이는 실로 경이로운 수준입니다. 효소의 종류에 따라 다르지만, 어떤 효소는 화학 반응 속도를 무려 10의 20제곱 배까지 끌어올리기도 합니다. 이는 자연 상태에서 그대로 내버려 두었을 때 수만 년이 걸릴 수도 있는 반응을 눈 깜짝할 새에 완료할 수 있다는 의미입니다. 이처럼 찰나의 순간에 생명 활동이 이루어지는 것은 모두 효소가 활성화 에너지를 극적으로 낮춰주기 때문입니다. 인체라는 경이로운 시스템 속에서 효소가 보여주는 활약은 화학이 생명과 얼마나 밀접하게 연결되어 있는지를 다시금 깨닫게 해줍니다.

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[강연] 스트레스, 식물도 받을까? _ 이호정 ㅣ 2022 봄 카오스강연 '식물행성' 6강 | 6강

거대한 세쿼이아나 바오밥나무가 수천 년의 세월을 견디며 거대한 몸집을 유지할 수 있는 비결은 무엇일까요? 그 해답의 중심에는 식물의 줄기가 있습니다. 줄기는 단순히 식물을 지탱하는 기둥을 넘어, 생존에 필요한 영양분과 물을 수송하고 때로는 에너지를 저장하는 핵심적인 역할을 수행합니다. 하지만 최근 기후 변화로 인해 수천 년을 살아온 바오밥나무들이 고사하는 현상이 발생하며, 식물의 생존 전략과 환경 변화의 상관관계에 대한 연구가 더욱 중요해지고 있습니다. 식물 줄기의 가장 기본적인 기능은 중력을 거슬러 꼿꼿하게 서는 지지 기능입니다. 육상으로 진출한 식물은 부력이 없는 환경에서 광합성을 위해 하늘을 향해 뻗어 나가야 했고, 줄기는 이를 가능하게 하는 뼈대 역할을 맡았습니다. 또한 줄기 내부의 관다발 조직은 잎에서 만든 유기 양분을 뿌리로 보내고, 뿌리에서 흡수한 물과 미네랄을 꼭대기까지 전달하는 고속도로 역할을 합니다. 이러한 정교한 수송 시스템 덕분에 식물은 거대한 크기로 성장하면서도 전신에 에너지를 공급할 수 있습니다. 식물의 줄기 구조는 종류에 따라 확연히 다릅니다. 쌍떡잎식물은 관다발이 가장자리에 규칙적으로 배열되어 있으며, 형성층이라는 분열 조직을 통해 부피 생장을 하며 나이테를 만듭니다. 반면 벼나 대나무 같은 외떡잎식물은 관다발이 줄기 전체에 흩어져 있고 형성층이 없어 대부분 옆으로 굵어지는 성장에 한계가 있습니다. 나무의 나이테는 계절에 따른 세포 분열 속도 차이로 만들어지는데, 이는 식물이 환경의 변화를 자신의 몸에 기록하는 일종의 생장 기록부와 같습니다. 수백 미터 높이의 나무 꼭대기까지 물을 올리는 과정은 경이로운 물리적 현상입니다. 식물은 에너지를 거의 소모하지 않고도 증산 작용을 통해 발생하는 수분 포텐셜 차이를 이용해 물을 끌어올립니다. 물 분자 사이의 강한 응집력과 세포벽에 달라붙는 점착력 덕분에, 물 기둥은 끊어지지 않고 밧줄처럼 연결되어 중력을 거슬러 올라갑니다. 이는 식물이 외부 환경과 상호작용하며 물리 법칙을 생존에 얼마나 효율적으로 이용하고 있는지를 잘 보여주는 사례입니다. 질소는 식물의 생명 활동에 없어서는 안 될 필수 원소입니다. 유전 정보를 담은 DNA부터 광합성을 담당하는 엽록소, 그리고 생명체의 구성 성분인 단백질에 이르기까지 질소가 포함되지 않은 곳이 없습니다. 대기의 78%가 질소로 이루어져 있지만, 식물은 이를 직접 흡수할 수 없어 토양 속 미생물의 도움을 받아야 합니다. 질소 고정 세균과의 공생은 식물이 척박한 환경에서도 질소를 확보하기 위해 선택한 고도의 생존 전략 중 하나입니다. 인류는 하버와 보슈가 개발한 암모니아 합성법을 통해 질소 비료를 대량 생산하며 식량 위기를 극복했습니다. 하지만 과도한 비료 사용은 하천의 부영양화를 초래하고 강력한 온실가스인 아산화질소를 배출하는 등 환경 문제를 야기하고 있습니다. 이에 따라 최근 과학계는 비료 사용을 줄이면서도 식물의 질소 흡수 효율을 높이는 연구에 집중하고 있습니다. 특정 식물 개체가 낮은 질소 환경에서도 뿌리털을 발달시켜 생존하는 원리를 규명하는 것은 지속 가능한 농업의 열쇠가 될 것입니다. 식물은 움직일 수 없기에 환경 스트레스에 더욱 치열하게 반응합니다. 가뭄이나 고온 스트레스를 받으면 성장을 멈추고 항산화 물질을 만들어 자신을 보호하며, 해충의 공격을 받으면 화학 신호를 보내 천적을 불러들이기도 합니다. 유전자 교정 기술과 같은 첨단 과학은 이러한 식물의 방어 기제와 영양 흡수 능력을 극대화하여 미래의 기후 위기에 대응하려 합니다. 식물의 정교한 생존 메커니즘을 이해하는 것은 결국 인류와 식물이 이 행성에서 공존하기 위한 필수적인 과정입니다.

이호정

카오스재단카오스강연

생명과학

[해SSUL이 있는 과학뉴스] 다시, 암모니아가 뜬다. -2탄

암모니아는 인류 역사에서 빼놓을 수 없는 중요한 화합물입니다. 19세기 후반, 남미의 친차 제도에서 발견된 구아노는 질소 비료로서 전 세계적인 자원 전쟁의 원인이 되기도 했습니다. 이후 암모니아를 인공적으로 합성하여 비료를 대량 생산할 수 있게 되면서 인류의 식량 문제는 획기적으로 해결되었고, 이는 폭발적인 인구 증가로 이어졌습니다. 또한 질소는 생명 유지에 필수적인 원소인 동시에 폭약의 주성분으로도 사용되며 인류 문명에 양면적인 영향을 끼쳐왔습니다. 현대 암모니아 생산의 핵심인 하버-보슈법은 인류를 굶주림에서 구했지만, 동시에 막대한 에너지를 소비한다는 단점이 있습니다. 전 세계 에너지 소비량의 약 1~2%가 이 공정에 사용되며, 인류가 배출하는 이산화탄소의 약 4%가 여기서 발생합니다. 기후 위기 시대에 접어들면서 이러한 고온·고압의 전통적인 방식은 탄소 중립이라는 시대적 과제에 직면하게 되었습니다. 이에 따라 에너지를 덜 쓰면서도 효율적으로 암모니아를 생산하기 위한 새로운 기술적 시도들이 활발히 이루어지고 있습니다. 최근 주목받는 혁신적인 암모니아 제조법 중 하나는 쇠구슬과 철가루를 이용한 기계화학적 방식입니다. 용기 안에서 쇠구슬을 빠르게 회전시켜 질소 기체를 분해하고, 그 자리에 수소를 결합시켜 암모니아를 생성하는 원리입니다. 이 방식은 기존의 하버-보슈법과 달리 고온이나 고압 환경이 필요하지 않아 에너지 소비를 획기적으로 줄일 수 있습니다. 반응 효율 또한 기존 방식보다 월등히 높으며, 필요한 장소에서 즉석 생산이 가능하다는 점에서 차세대 친환경 기술로 큰 기대를 모으고 있습니다. 탄소 중립의 핵심 에너지원으로 꼽히는 수소는 저장과 운송이 까다롭다는 치명적인 약점이 있습니다. 기체 상태의 수소는 부피가 매우 크고 폭발 위험이 있어 대량으로 다루기가 쉽지 않기 때문입니다. 여기서 암모니아가 새로운 대안으로 떠오르고 있습니다. 암모니아는 분자 구조 내에 다량의 수소를 포함하고 있어, 질소를 분리해내기만 하면 효율적인 수소 공급원이 됩니다. 즉, 암모니아를 수소를 안전하게 담아 운반하는 일종의 '에너지 저장 장치'로 활용하려는 시도가 본격화되고 있는 것입니다. 암모니아는 수소에 비해 액화가 훨씬 용이하다는 강력한 장점을 지닙니다. 수소를 액화하려면 영하 253도의 극저온이 필요하지만, 암모니아는 상온에서도 적당한 압력만 가하면 액체로 변합니다. 덕분에 기존의 선박이나 탱크로리 등 인프라를 그대로 활용해 운송할 수 있으며 화재 위험도 상대적으로 낮습니다. 비록 특유의 냄새나 질소 분리를 위한 촉매 연구 등 해결해야 할 과제는 남아있지만, 암모니아는 미래 수소 경제 시대를 앞당길 핵심적인 열쇠가 될 것으로 전망됩니다.

국립과천과학관요즘과학👏

화학
지구환경과학
융합

[해SSUL이 있는 과학뉴스] 다시, 암모니아가 뜬다.

최근 친환경 에너지원으로 수소가 부각되면서 이를 저장하고 수송하는 매개체인 암모니아가 새롭게 주목받고 있습니다. 암모니아는 질소 원자 하나에 수소 원자 세 개가 결합한 NH3라는 분자식을 가진 물질입니다. 100년 전 합성법이 개발된 이후 인류의 생존에 필수적인 역할을 해왔지만, 최근에는 탄소 중립 시대를 이끌어갈 핵심 자원으로 그 가치가 재조명되고 있습니다. 상온에서 무색의 기체 상태로 존재하며, 우리에게는 특유의 강렬한 냄새로 잘 알려진 존재감이 확실한 화합물입니다. 암모니아는 일상에서 흔히 접할 수 있는 물질이기도 합니다. 홍어의 독특한 향이나 유리창 세정제 등에서 그 흔적을 찾을 수 있는데, 보통 기체보다는 액체 상태인 암모니아수로 더 자주 활용됩니다. 암모니아수는 강한 염기성을 띠기 때문에 피부나 점막에 닿으면 손상을 입힐 수 있어 취급 시 주의가 필요합니다. 하지만 이러한 화학적 성질 덕분에 비료뿐만 아니라 폭약, 플라스틱 제조 등 현대 산업 전반에서 없어서는 안 될 중요한 기초 원료로 폭넓게 사용되고 있습니다. 암모니아 합성의 역사는 독일의 과학자 프리츠 하버와 카를 보슈의 업적으로 거슬러 올라갑니다. 공기 중 질소는 삼중 결합이라는 매우 단단한 구조로 연결되어 있어 다른 물질과 반응시키기가 매우 어렵습니다. 하버는 고온과 고압, 그리고 촉매를 활용해 실험실 수준에서 질소와 수소를 결합하는 데 성공했습니다. 이후 엔지니어였던 보슈가 이를 대량 생산할 수 있는 공업적 공정으로 완성하면서, 인류는 마침내 공기 중에서 무한하게 질소 화합물을 얻을 수 있는 길을 열게 되었습니다. 생명체가 생존하기 위해 반드시 필요한 4대 원소는 탄소, 산소, 수소, 질소입니다. 이 중 질소는 단백질과 DNA의 핵심 성분이지만, 공기 중에 풍부함에도 불구하고 생물이 직접 흡수하기는 매우 까다롭습니다. 과거에는 번개가 치거나 콩과 식물의 뿌리혹박테리아를 통해서만 아주 적은 양의 질소를 고정할 수 있었습니다. 이처럼 자연적인 질소 공급의 한계는 농작물의 생산량을 제한했고, 이는 곧 인류 전체의 인구 성장을 가로막는 결정적인 장애물로 작용해 왔습니다. 하버-보슈법을 통한 암모니아의 대량 생산은 인류에게 '공기로부터 만든 빵'을 선사했습니다. 화학 비료의 보급으로 토양에 충분한 질소를 공급할 수 있게 되자 식량 생산량은 비약적으로 증가했습니다. 이는 맬서스의 인구론적 한계를 극복하고 전 세계 인구가 폭발적으로 늘어날 수 있었던 결정적인 계기가 되었습니다. 과거 식량 위기를 해결했던 암모니아는 이제 수소 에너지의 저장체로서 다시 한번 인류의 지속 가능한 미래를 책임질 중요한 열쇠로 진화하고 있습니다.

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화학
생명과학
지구환경과학
융합

[강연] 눈으로 보는 분자 한 개의 화학 _ by김유수｜ 2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 6강 | 6강 ①

화학의 세계에서 전체를 이해하기 위해서는 그 구성 요소인 개별 분자를 들여다보는 과정이 필수적입니다. 예술가 크리스 조던이 수만 개의 알루미늄 캔으로 거대한 명화를 재현했듯, 우리 주변의 물질 또한 무수히 많은 분자의 집합체입니다. 아리스토텔레스는 전체가 부분의 합보다 크다고 말했지만, 화학자들은 그 '플러스 알파'의 가치를 극대화하기 위해 부분 하나하나의 성질과 방향을 파악하는 데 집중합니다. 분자 한 개를 직접 보고 조작하려는 시도는 바로 이러한 근원적인 호기심에서 시작되었습니다. 인류의 생존을 지탱해 온 비료 생산의 핵심인 하버-보슈법은 화학 반응과 촉매의 중요성을 잘 보여줍니다. 공기 중의 질소를 고정해 암모니아를 만드는 과정은 매우 높은 에너지 장벽을 넘어야 하지만, 촉매는 이 활성화 에너지를 낮추어 반응이 쉽게 일어나도록 돕습니다. 촉매는 스스로 변하지 않으면서도 반응물들이 서로 만나 생성물이 되도록 중매쟁이 역할을 수행합니다. 이러한 반응이 실제로 일어나는 장소인 고체 표면은 분자들이 흡착하고 확산하며 새로운 결합을 형성하는 역동적인 놀이터와 같습니다. 하지만 고체의 표면을 연구하는 것은 결코 쉬운 일이 아닙니다. 물리학자 파울리가 물질은 신이 만들었지만 표면은 악마가 만들었다고 한탄했을 정도로, 표면은 매우 불균일하고 복잡하기 때문입니다. 표면의 원자들은 내부 원자들과 달리 결합할 '손'이 남아돌아 외부 분자들과 민감하게 반응하며, 계단이나 결함 등 위치에 따라 각기 다른 특성을 보입니다. 따라서 거시적인 촉매 현상을 제대로 이해하기 위해서는 미시적인 관점에서 분자가 표면의 어느 지점에 어떻게 붙어 있는지 정밀하게 관찰해야 합니다. 원자 레벨의 미시 세계를 관찰하기 위해 과학자들은 주사 터널링 현미경(STM)이라는 혁신적인 도구를 개발했습니다. STM은 아주 뾰족한 탐침을 시료 표면에 가까이 가져갈 때 흐르는 미세한 터널링 전류를 이용합니다. 탐침과 표면 사이의 거리가 조금만 변해도 전류가 급격히 변하는 성질을 활용해, 원자 하나하나의 굴곡을 이미지로 형상화하는 것입니다. 이는 마치 세차장의 센서가 차의 표면을 따라 움직이듯, 피드백 회로를 통해 원자 단위의 해상도로 물질의 생생한 모습을 포착해냅니다. STM은 단순히 보는 기능을 넘어 분자를 조작하는 '칼'의 역할도 수행합니다. 탐침을 통해 전자의 개수와 에너지를 정밀하게 조절하여 특정 분자에 에너지를 주입할 수 있기 때문입니다. 이를 통해 원자를 하나씩 옮겨 글자를 쓰거나, 분자의 화학 결합을 끊어 새로운 물질로 변화시키는 것이 가능해졌습니다. 특히 영하 269도의 극저온과 우주 공간에 가까운 초고진공 환경을 조성하면, 분자의 움직임을 멈추고 개별 분자와 마치 대화를 나누듯 정밀한 화학 반응 실험을 진행할 수 있습니다. 분자를 효과적으로 제어하기 위해서는 '공명'이라는 개념이 중요합니다. 이는 분자가 에너지를 받아들이기 가장 좋은 상태에 맞춰 외부 에너지를 전달하는 방식입니다. 마치 와인 잔의 고유 진동수에 맞춰 소리를 내면 잔이 깨지는 것처럼, 분자의 진동 상태나 전자 상태에 딱 맞는 에너지를 주입하면 특정 화학 결합만을 선택적으로 끊을 수 있습니다. 이러한 정밀한 에너지 전달 기술은 분자를 억지로 끌고 가는 것이 아니라, 분자의 성질을 이해하고 설득하여 우리가 원하는 방향으로 유도하는 세밀한 화학의 정수를 보여줍니다. 단분자 수준의 연구는 미래의 에너지 변환 시스템과 신소재 디자인에 중요한 단서를 제공합니다. 광촉매, 연료전지, 유기 태양 전지 등 현대 과학의 핵심 기술들은 모두 표면에서 일어나는 분자들의 에너지 전달 과정에 기반하고 있기 때문입니다. 비록 지금은 극단적인 환경에서의 실험이 주를 이루지만, 분자 하나하나의 개성과 능력을 파악하려는 노력은 화학의 지평을 넓히고 인류의 꿈을 실현하는 밑거름이 됩니다. 눈으로 직접 확인하고 조작하는 단분자 화학은 이제 교과서 속 모델을 넘어 실제 현실의 영역으로 들어오고 있습니다.

김유수, 김지환

카오스재단카오스강연

화학