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[명강리뷰] 나노 : 우리의 미래 _ by이광렬｜2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 8강

나노 과학은 1에서 100나노미터 크기의 물질을 연구하고 활용하는 학문입니다. 1나노미터는 1미터를 10억 개로 쪼갠 아주 미세한 단위로, 그리스어 '나노스'에서 유래한 이름처럼 원자와 분자의 세계를 다룹니다. 우리가 흔히 접하는 DNA의 이중 나선 구조가 약 10나노미터이며, 이를 다시 10배 더 확대하면 비로소 개별 원자의 형체를 관찰할 수 있습니다. 이처럼 나노 기술은 눈에 보이지 않는 극미세 세계를 탐구하며 물질의 근본적인 특성을 이해하는 데서 시작됩니다. 자연 속 생물들은 이미 오래전부터 정교한 나노 기술을 생존에 활용해 왔습니다. 도마뱀붙이는 발바닥의 미세한 털과 벽면 사이의 분자 간 인력인 반데르발스 힘을 이용해 접착제 없이도 벽을 자유롭게 기어 다닙니다. 또한 매미의 날개는 수백 나노미터 크기의 무질서한 돌기 구조를 통해 빛의 반사를 차단하여 포식자의 눈을 피합니다. 나비와 카멜레온 역시 광결정 구조를 통해 특정 파장의 빛을 반사함으로써 화려하고 영롱한 색채를 만들어내며 자신을 보호하거나 소통합니다. 연꽃잎의 자정 작용은 나노 구조가 만들어내는 또 다른 신비입니다. 잎 표면의 미세한 돌기와 소수성 왁스 성분은 물방울이 잎을 적시지 않고 또르르 굴러가게 하며, 이 과정에서 먼지와 오염물을 함께 씻어냅니다. 현대의 화학자들은 이러한 자연의 원리를 모방하거나 뛰어넘어, 반응 조건을 정밀하게 제어함으로써 정육면체, 다면체, 구형 등 다양한 형태의 나노 입자를 합성해내고 있습니다. 이는 자연의 설계를 넘어 인류가 필요한 최적의 신소재를 직접 설계하고 제조할 수 있는 시대를 의미합니다. 나노 기술은 에너지와 환경 문제 해결에도 핵심적인 역할을 합니다. 수소연료전지차 내부의 전극 촉매로 나노 입자를 사용하여 효율을 높이며, 그래핀 코팅 스펀지를 활용해 바다에 유출된 끈적한 원유의 점도를 낮춰 효과적으로 회수하기도 합니다. 또한 압력을 전기로 바꾸는 압전 물질을 신발이나 체내 장치에 적용해 자가 발전을 실현하고, 퀀텀닷과 같은 나노 입자를 TV 소자로 활용해 선명한 색상을 구현합니다. 이처럼 나노 기술은 산업 전반의 효율성을 극대화하는 혁신적인 도구로 자리 잡았습니다. 일상생활과 미래 의료 분야에서도 나노 기술의 영향력은 막강합니다. 자외선 차단제의 산화아연 입자는 피부를 보호하고, 은나노 입자는 박테리아 증식을 억제해 위생적인 의류를 만듭니다. 탄소나노튜브를 섞은 방탄조끼는 충격 시 순간적으로 단단해져 생명을 보호하며, 통증 없는 미세 바늘 패치는 약물 전달의 혁신을 가져옵니다. 나아가 미래에는 피부 부착형 센서나 뇌와 칩의 융합을 통해 질병을 실시간으로 모니터링하고 인간의 신체적 한계를 극복하는 진정한 나노 바이오 융합 시대가 열릴 것입니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[강연] 화학적 감각: 냄새, 맛의 정체는 무엇인가? _ by박태현｜2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 10강 | 10강 ①

수소는 우주에서 가장 흔한 원소이자 미래의 청정 에너지원으로 주목받고 있습니다. 흔히 수소를 폭발 위험이 큰 물질로 생각하지만, 실제로 수소가 폭발하기 위해서는 산소와 적절한 비율로 혼합되어야 하는 조건이 필요합니다. 연소 후 오직 물만을 남기는 수소는 공해 없는 에너지 시스템의 핵심이며, 앞으로 수소전기자동차와 같은 기술을 통해 우리 실생활에 더욱 깊숙이 자리 잡을 것입니다. 수소 자체는 위험한 폭발물이 아니라, 우리가 어떻게 제어하고 활용하느냐에 따라 인류의 지속 가능한 발전을 이끌 소중한 자원이 됩니다. 인간의 오감 중 시각, 청각, 촉각은 물리적 성질을 인지하는 감각인 반면, 미각과 후각은 화학 분자를 인지하는 화학적 감각입니다. 우리는 이미 카메라나 오디오 레코더를 통해 시각과 청각 정보를 디지털화하여 스마트폰에 담아냈지만, 화학적 감각을 대신할 장치는 아직 일상화되지 않았습니다. 냄새와 맛을 감지하는 유일한 장비가 여전히 우리의 코와 혀라는 사실은 이 분야가 과학적으로 매우 도전적인 영역임을 시사합니다. 이러한 화학적 감각의 디지털화는 현대 과학이 풀어야 할 거대한 미스터리 중 하나로 남아 있습니다. 후각의 원리는 오랫동안 베일에 싸여 있었으나, 2000년대에 들어서야 분자 차원에서 그 메커니즘이 밝혀졌습니다. 인간의 코에는 약 400종류의 후각 수용체가 존재하며, 특정 냄새 분자가 이 수용체들과 결합하여 만들어내는 독특한 조합의 패턴이 뇌에 전달되어 냄새로 인식됩니다. 이는 마치 QR코드가 정보를 담고 있는 것과 유사하며, 동일한 성분이라도 농도에 따라 결합하는 수용체의 패턴이 달라지면 전혀 다른 향기로 느껴지기도 합니다. 이러한 발견은 후각이 단순한 화학 반응을 넘어선 복잡한 정보 처리 과정임을 보여줍니다. 바이오 전자코는 인간의 후각 수용체를 인공적으로 구현하여 냄새를 디지털 신호로 변환하는 혁신적인 기술입니다. 인간의 유전 정보를 활용해 대장균과 같은 미생물에서 수용체를 대량 생산하고, 이를 나노튜브나 그래핀과 같은 나노소자와 결합하여 미세한 전류 변화를 측정합니다. 이 기술이 완성되면 질병의 조기 진단이나 식품의 신선도 측정, 재난 현장에서의 실종자 수색 등 다양한 분야에서 인간의 능력을 뛰어넘는 감지 능력을 발휘할 것입니다. 이는 생명공학과 전자공학이 결합하여 만들어낸 융합 기술의 정수라고 할 수 있습니다. 미각 역시 혀 위의 수용체가 화학 물질과 결합하며 느끼는 감각으로, 단맛, 쓴맛, 짠맛, 신맛, 감칠맛의 다섯 가지 기본 맛으로 구성됩니다. 특히 단맛의 경우 설탕, 아스파탐, 사카린처럼 구조가 전혀 다른 물질들이 동일한 수용체에 결합하여 같은 맛을 내기도 합니다. 이러한 원리를 이용한 바이오 전자혀는 인간의 미각을 정밀하게 재현하여 식품 개발이나 독성 물질 탐지 등에 활용될 수 있는 잠재력을 지니고 있습니다. 화학 구조만으로는 예측하기 힘든 맛의 영역을 생체 수용체를 통해 객관적인 수치로 변환하는 것이 이 기술의 핵심입니다. 자연의 생명체로부터 영감을 얻는 생물 모방 기술은 의료 분야에서도 큰 혁신을 일으키고 있습니다. 거친 파도 속에서도 바위에 단단히 붙어 있는 홍합의 홍합 접착 단백질은 인체에 무해하면서도 강력한 접착력을 지녀, 실로 꿰매는 기존의 봉합 방식을 대체할 차세대 의료용 접착제로 주목받고 있습니다. 유전공학을 통해 대량 생산된 이 단백질은 흉터를 최소화하고 수술 후 회복 속도를 높이는 등 환자의 삶의 질을 획기적으로 개선하고 있습니다. 자연이 수억 년에 걸쳐 최적화해 온 생존 전략을 인간의 기술로 재해석하여 실생활에 적용하는 사례입니다. 4차 산업혁명 시대는 디지털, 바이오, 물리 기술이 유기적으로 융합되어 새로운 가치를 창출하는 시대입니다. 냄새를 코드화하여 시각적으로 보여주거나 멀리 떨어진 곳으로 전송하는 기술은 더 이상 영화 속 상상이 아닙니다. 화학적 감각이 스마트폰 속으로 들어오는 '오감 스마트폰'의 시대가 머지않았으며, 자연의 원리를 깊이 이해하고 이를 첨단 기술과 결합하려는 노력은 인류의 삶을 더욱 풍요롭고 안전하게 만들어 줄 것입니다. 과학적 호기심에서 시작된 탐구는 이제 인간의 감각을 확장하고 세상을 인지하는 새로운 방식을 제시하고 있습니다.

박태현, 차형준

카오스재단카오스강연

화학

[카오스 술술과학] 분자空학

화학은 흔히 분자를 다루는 학문으로 정의되지만, 그 본질을 깊이 들여다보면 공간의 미학을 탐구하는 과정임을 알 수 있습니다. 보통 분자공학이라 하면 무언가를 만드는 기술을 떠올리기 마련이지만, 여기서 '공(空)'자를 공간을 의미하는 한자로 바꾸어 생각하면 화학의 새로운 면모가 드러납니다. 분자는 단순히 나누어지는 대상이 아니라, 특정한 공간 안에서 어떻게 배치되고 구성되느냐에 따라 그 성질이 결정되기 때문입니다. 건축학이 공간을 설계하듯, 화학자들 역시 분자들이 차지하는 기하학적 공간을 이해하고 설계하는 역할을 수행합니다. 복잡해 보이는 사물이라도 그 안에 일정한 규칙성과 패턴이 존재하면 우리는 그것을 훨씬 명확하게 인식하게 됩니다. 에셔의 그림이 물고기 문양으로 평면을 빈틈없이 채우듯, 화학의 세계에서도 육각형의 벤젠 고리가 반복되며 놀라운 구조물들을 만들어냅니다. 흑연은 이러한 육각형 단위가 층층이 쌓인 평면 구조를 이루고 있으며, 이를 한 겹 떼어내면 꿈의 신소재라 불리는 그래핀이 됩니다. 같은 탄소 원자로 이루어져 있음에도 불구하고, 이들이 공간상에서 어떤 기하학적 구조를 형성하느냐에 따라 흑연이 되기도 하고 단단한 다이아몬드가 되기도 합니다. 분자 세계에서 구조와 대칭의 중요성을 가장 잘 보여주는 사례는 바로 거울상 이성질체입니다. 구성하는 원자의 종류와 배열은 완벽하게 같지만, 마치 오른손과 왼손처럼 서로를 거울에 비춘 모습인 두 분자는 전혀 다른 성질을 나타낼 수 있습니다. 이를 '카이랄성(Chirality)'이라고 부르는데, 인공 감미료인 아스파탐이 대표적인 예시입니다. 한쪽 방향의 분자는 설탕보다 수백 배 강한 단맛을 내는 반면, 그 거울상 이성질체는 쓴맛을 냅니다. 이는 우리 몸을 구성하는 단백질과 아미노산 역시 특정한 한쪽 방향의 카이랄 구조로만 이루어져 있기 때문입니다. 우리 몸의 수용체들이 특정한 방향의 분자만을 인식한다는 사실은 화학적 합성에 있어 매우 중요한 시사점을 던져줍니다. 악수를 할 때 서로 같은 손을 내밀어야 제대로 맞잡을 수 있듯이, 우리 몸의 시스템은 자신과 맞는 기하학적 구조를 가진 분자만을 선택적으로 받아들입니다. 만약 우리가 비대칭적인 구조를 정교하게 제어하여 원하는 한쪽 방향의 분자만을 만들어낼 수 없다면, 생명체 내에서 의도치 않은 반응이 일어날 위험이 큽니다. 따라서 현대 화학에서 비대칭 합성 기술은 단순한 연구를 넘어 인류의 건강과 안전을 지키는 핵심적인 영역으로 자리 잡았습니다. 분자의 공간적 배치가 생존과 직결됨을 보여준 가장 비극적인 사례는 탈리도마이드 사건입니다. 1950년대 입덧 방지제로 판매된 이 약은 한쪽 거울상 이성질체는 뛰어난 약효를 보였으나, 다른 쪽 이성질체는 치명적인 기형을 유발하는 독성을 지니고 있었습니다. 이 사건 이후 과학계는 분자의 입체 구조가 생체 내에서 얼마나 결정적인 차이를 만드는지 뼈저리게 깨닫게 되었습니다. 결국 화학에서 공간이란 단순히 분자들이 머무는 빈 무대가 아니라, 분자와 함께 극을 이끌어가는 주인공입니다. 화학은 분자를 통해 공간의 예술을 완성해가는 학문이라 할 수 있습니다.

카오스재단술술과학

화학

[강연] 분자미개학론 _ 이동환 교수 | 2016 서울대 자연과학대학 공개강연 '무질서에서 질서로' (2) | 1강

화학이라고 하면 흔히 복잡한 반응식과 원소 기호가 가득한 교과서를 떠올리기 쉽습니다. 하지만 화학의 진정한 매력은 눈에 보이지 않는 미시 세계에서 원자들이 결합하여 만들어내는 정교하고 아름다운 모양에 있습니다. 단순한 식의 나열을 넘어 분자 속에 감추어진 기하학적 아름다움을 발견하는 과정은 마치 예술 작품을 감상하는 것과 같습니다. 화학자는 이 복잡한 구조 속에서 질서를 찾아내고, 그 형태가 지닌 고유한 가치를 탐구하며 보이지 않는 세계의 미학을 정립하는 사람입니다. 복잡함이란 무엇일까요? 수십 획에 달하는 한자처럼 단순히 얽혀 있는 상태를 넘어, 그 안에 숨겨진 규칙을 발견할 때 우리는 새로운 시각을 갖게 됩니다. 네덜란드의 판화가 에셔의 작품처럼 단순한 단위 구조가 반복되며 평면을 가득 채우는 테셀레이션은 복잡함 속의 질서를 잘 보여줍니다. 대칭성 또한 중요한 요소입니다. 어떤 물체를 회전시키거나 반사했을 때 변화를 느끼지 못하는 상태, 즉 완벽한 균형을 이루는 구조는 분자 세계에서도 가장 아름다운 형태로 꼽히며 과학적 탐구의 대상이 됩니다. 세상에서 가장 대칭적인 분자로 알려진 '풀러렌'은 탄소 60개가 모여 축구공 모양을 이루는 독특한 구조를 가집니다. 1985년 발견된 이 분자는 우주 공간의 성간 물질을 연구하는 과정에서 그 존재가 드러났으며, 이후 노벨 화학상의 영예를 안겨주었습니다. 자연이 설계한 이 완벽한 구형 구조는 탄소 원자들이 가장 안정적으로 존재할 수 있는 최적의 형태를 보여줍니다. 이는 우리가 자연의 섭리를 이해하고 미시 세계의 질서를 파악하는 과정에서 마주하는 가장 경이로운 모델 중 하나라고 할 수 있습니다. 화학자는 자연에 존재하는 분자를 발견하는 데 그치지 않고, 새로운 구조를 설계하고 만들어내는 건축가이기도 합니다. 육각형의 벤젠 고리를 이어 붙여 왕관 모양의 코로넨을 만들거나, 평면의 그래핀을 넘어 입체적인 구조를 구상합니다. 이 과정은 마치 정교한 설계도를 따라 건물을 짓거나 레고 블록을 조립하는 것과 비슷합니다. 비록 당장의 실용적인 용도가 눈에 보이지 않더라도, 복잡한 문제를 해결하며 새로운 합성 경로를 찾아내는 과정 자체가 과학적 진보를 이끄는 핵심적인 동력이 됩니다. 평면적인 구조를 넘어 오목한 사발 모양의 '수마넨'과 같은 분자를 만드는 것은 화학자들에게 큰 도전입니다. 탄소 원자들은 본래 평평하게 배열되려는 성질이 있지만, 오각형 구조를 적절히 배치하면 전체적인 모양이 구부러지며 입체감을 갖게 됩니다. 이러한 곡률을 완벽하게 제어하여 예쁜 그릇 모양의 분자를 합성하는 것은 고도의 정밀함이 요구되는 작업입니다. 이는 단순한 발견의 영역을 넘어 인간의 지성과 기술로 새로운 형태를 창조하는 발명의 영역으로 나아가는 화학의 창의적인 면모를 보여줍니다. 분자의 아름다움은 형태를 넘어 생명 현상을 유지하는 정교한 기능으로도 이어집니다. 우리 몸의 신경 신호를 전달하는 이온 통로 단백질이 대표적인 예입니다. 이 거대한 분자는 칼륨 이온과 나트륨 이온의 미세한 크기 차이를 감지하여 특정 이온만을 선택적으로 통과시킵니다. 단백질 내부의 산소 원자들이 물 분자의 역할을 대신하며 이온을 안내하는 과정은 자연이 설계한 정교한 밸브 시스템과 같습니다. 이러한 메커니즘은 분자의 구조가 곧 생명 활동의 핵심적인 기능임을 증명하는 사례입니다. 자연은 거대한 구조를 만들 때 효율적인 모듈화 방식을 선택합니다. 이온 통로 단백질이 네 개의 동일한 조각이 모여 완성되듯, 작은 단위체의 반복과 조합을 통해 복잡한 생명 시스템을 구축하는 것입니다. 이는 대량 생산과 유지 보수가 용이한 합리적인 설계 방식이기도 합니다. 결국 분자 세계의 복잡함 속에는 언제나 명확한 규칙과 질서가 숨어 있습니다. 그 규칙을 이해하고 새로운 질서를 창조해 나가는 과정이 바로 과학자가 꿈꾸는 끊임없는 도전이자 미시 세계에서 찾아내는 진정한 아름다움입니다.

이동환

카오스재단서울대자연과학공개강연

화학