슈타우딩거

[카오스 술술과학] 스타킹 화학?

양초와 비닐봉투가 본질적으로 같은 성분이라는 사실은 매우 흥미롭습니다. 이들의 공통점은 탄소와 수소로만 이루어진 탄화수소 분자라는 점입니다. 탄소 원자들은 서로 사슬처럼 길게 이어질 수 있는 독특한 성질을 가지고 있는데, 이 사슬이 얼마나 길게 연결되느냐에 따라 물질의 크기가 결정됩니다. 분자의 기본 구성물은 동일할지라도, 탄소 사슬의 길이에 따른 크기의 차이는 단순히 부피의 변화를 넘어 물질의 물리적 성질을 근본적으로 바꾸는 핵심적인 요인이 됩니다. 분자의 크기가 커지면 분자 간에 작용하는 인력도 함께 강해집니다. 탄소 수가 적을 때는 인력이 약해 기체 상태로 존재하지만, 탄소 수가 늘어날수록 분자들이 서로 강하게 끌어당기며 액체나 고체로 상태가 변화합니다. 예를 들어 탄소가 4개 이하면 기체, 18개 정도면 식용유 같은 액체, 그 이상이면 양초나 비닐봉투 같은 고체가 됩니다. 결국 분자의 크기가 성질을 결정하는 셈이며, 과학계에서는 이렇게 거대한 분자를 '고분자'라고 정의하여 일반적인 분자와 구분합니다. 플라스틱은 우리 일상에서 가장 흔히 볼 수 있는 고분자 물질의 대표적인 예시입니다. 가볍고 질기며 쉽게 부패하지 않는 장점 덕분에 현대 문명의 필수 요소가 되었습니다. 고분자는 인공적인 물질에만 국한되지 않습니다. 우리 몸을 구성하는 단백질, 탄수화물, 그리고 유전 정보를 담은 DNA 역시 자연이 만든 정교한 고분자입니다. 이처럼 고분자는 생명 현상의 근간이자 우리 주변의 거의 모든 사물을 이루는 기초 재료로서 현대 과학과 일상에서 결코 떼어놓을 수 없는 존재입니다. 과거에는 분자량이 1,000이 넘는 고분자를 인간이 만드는 것은 불가능하다고 여겨졌습니다. 하지만 1920년대 독일의 화학자 슈타우딩거는 작은 단위체들이 공유 결합을 통해 사슬처럼 길게 연결되어 고분자를 형성할 수 있다는 가설을 세웠습니다. 당시 학계는 이를 코끼리를 본 적 없는 사람에게 코끼리의 존재를 설명하는 것처럼 허황되게 느꼈지만, 그의 통찰은 옳았습니다. 이 가설은 훗날 DNA 구조 발견의 마중물이 되었으며, 화학의 패러다임을 완전히 바꾸어 놓는 계기가 되었습니다. 슈타우딩거의 이론을 실험적으로 증명한 인물은 미국의 화학자 캐러더스입니다. 그는 1935년 거미줄보다 가늘고 강철보다 강한 최초의 합성 고분자 섬유인 나일론을 합성하는 데 성공했습니다. 나일론 스타킹의 폭발적인 인기를 시작으로 인류는 자연에 없던 새로운 물질들을 창조하기 시작했습니다. 이제 우리는 스마트폰의 매끄러운 표면부터 첨단 소재에 이르기까지 고분자가 없는 세상을 상상할 수 없게 되었습니다. 고분자 과학은 기적의 물질인 플라스틱 시대를 열며 우리 삶을 풍요롭게 만들었습니다.