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신용카드는 왜 다른 플라스틱보다 단단할까?

우리가 일상에서 흔히 사용하는 신용카드나 교통카드는 대부분 폴리염화바이닐, 즉 PVC라는 물질로 만들어집니다. PVC는 플라스틱의 한 종류로, 다른 소재에 비해 마모에 강하고 열에도 잘 견디는 특성을 지니고 있습니다. 이러한 PVC는 '중합'이라는 화학적 과정을 통해 탄생하는 고분자 물질입니다. 중합이란 단량체라고 불리는 작은 분자들이 서로 결합하여 거대한 분자 사슬을 형성하는 과정을 말하며, 이를 통해 우리 생활에 유용한 다양한 플라스틱 제품들이 만들어지게 됩니다. 가장 대표적인 중합체로는 마트 비닐봉지의 주성분인 폴리에틸렌이 있습니다. 에틸렌 분자들이 연쇄적으로 이어지며 만들어지는 이 물질은 탄소와 수소의 결합으로 이루어져 있습니다. 여기서 수소 원자 하나가 떨어진 구조를 바이닐기라고 부르는데, 이 바이닐기를 포함한 단량체의 종류에 따라 폴리프로필렌이나 폴리스타이렌 같은 다양한 바이닐계 중합체가 생성됩니다. 각 중합체는 사슬 구조를 형성하며, 이 사슬들 사이에 작용하는 인력의 크기에 따라 물질의 단단함이나 유연성이 결정됩니다. PVC가 다른 바이닐계 중합체와 차별화되는 가장 큰 이유는 바로 염소 원자의 존재 때문입니다. PVC의 단량체인 염화바이닐은 에틸렌의 수소 하나가 염소로 치환된 구조를 가집니다. 염소는 전자를 강하게 끌어당기는 성질이 있어 탄소와의 결합을 극성으로 만듭니다. 이로 인해 분자 사슬 사이의 인력이 매우 강력해지며, 결과적으로 PVC는 다른 플라스틱보다 훨씬 단단하고 견고한 성질을 갖게 됩니다. 이러한 화학적 구조의 차이가 PVC를 특별한 산업 소재로 만들어 줍니다. 초기의 PVC는 지나치게 단단하여 가공하기가 매우 까다로웠습니다. 이를 해결하기 위해 도입된 것이 바로 가소제입니다. 가소제는 고분자 사슬 사이에 끼어들어 사슬이 서로 미끄러지게 함으로써 물질을 부드럽게 만들어 줍니다. 가소제의 함량을 조절하면 장판이나 필름에 쓰이는 연질 PVC부터, 파이프나 창틀에 쓰이는 경질 PVC까지 용도에 맞게 성질을 변화시킬 수 있습니다. 덕분에 PVC는 뛰어난 내구성과 화학적 안정성을 갖춘 저렴한 소재로서 전 세계적으로 널리 활용되고 있습니다. 편리함에도 불구하고 PVC는 환경적인 측면에서 큰 숙제를 안고 있습니다. 다양한 첨가물이 섞여 있어 재활용이 어렵고, 소각 시에는 염소 성분으로 인해 맹독성 가스를 배출하기 때문입니다. 특히 고온에서 발생하는 유해 물질은 인체와 생태계에 치명적인 영향을 미칠 수 있어 엄격한 관리가 필요합니다. 이러한 환경 오염 문제를 해결하기 위해 최근 과학계에서는 PVC의 장점은 유지하면서도 환경에 미치는 영향을 최소화할 수 있는 친환경 대체 물질 개발에 박차를 가하고 있습니다.

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화학
지구환경과학

우유는 흔들어 마시는 게 좋을까?

우유는 인류의 식생활에서 빼놓을 수 없는 중요한 식품으로, 탄수화물과 단백질, 지방은 물론 각종 비타민과 무기질이 풍부하게 들어있는 영양의 보고라 할 수 있습니다. 유리컵에 담긴 우유를 가만히 들여다보면 마치 하나의 순수한 액체처럼 보이지만, 실제로는 수많은 영양 성분이 복합적으로 섞여 있는 상태입니다. 흥미로운 점은 이렇게 성질이 다른 다양한 물질이 포함되어 있음에도 불구하고, 우유는 시간이 지나도 층이 나뉘거나 성분이 가라앉지 않고 늘 일정한 상태를 유지한다는 사실입니다. 액체 혼합물은 구성 물질들이 중력이나 시간의 흐름에 따라 고르게 섞여 분리되지 않는 균일 혼합물과, 층이 나뉘거나 입자가 가라앉는 불균일 혼합물로 분류됩니다. 소금물은 대표적인 균일 혼합물이며, 흙탕물은 시간이 지나면 흙이 가라앉는 불균일 혼합물에 해당합니다. 우유는 가만히 두어도 분리가 일어나지 않아 균일 혼합물처럼 보이지만, 원심분리기를 이용하면 지방을 따로 추출할 수 있다는 점에서 독특한 성질을 가집니다. 이러한 이중적인 특성은 우유의 정체에 대한 과학적 호기심을 자극합니다. 우유의 정체는 바로 '콜로이드'라는 특수한 혼합물 상태에 있습니다. 콜로이드는 입자의 크기가 균일 혼합물보다는 크고 불균일 혼합물보다는 작은 상태를 말하는데, 거름종이조차 통과할 정도로 미세한 크기를 가집니다. 우유 속의 물 분자들이 여러 영양 성분을 미세하게 둘러싸면서 안정적인 콜로이드 입자를 형성하는 것입니다. 이 입자들은 액체 전체에 안개처럼 고르게 퍼져 있어 중력의 영향을 크게 받지 않고 안정적으로 섞여 있을 수 있으며, 덕분에 우리는 늘 일정한 맛과 영양을 지닌 우유를 즐길 수 있습니다. 현대의 우유 가공 과정에서는 '균질화'라는 기술을 통해 입자의 안정성을 더욱 높입니다. 원유에 일정한 압력을 가해 미세한 구멍을 통과시킴으로써 지방 입자를 아주 작고 균일하게 쪼개는 과정입니다. 이렇게 만들어진 미세한 콜로이드 입자들은 가시광선 전체 영역의 빛을 모든 방향으로 고르게 반사하는 성질을 가집니다. 우리가 우유를 볼 때 불투명한 하얀색으로 인지하는 이유는 바로 이 미세한 입자들이 빛을 반사하기 때문이며, 이는 구름이나 안개가 하얗게 보이는 원리와도 같습니다. 보통의 우유는 균질화를 거치기에 흔들어 마실 필요가 없지만, 칼슘이 첨가된 기능성 우유는 예외일 수 있습니다. 칼슘 입자는 다른 성분보다 입자가 크고 무거워 바닥에 가라앉을 가능성이 있기 때문입니다. 이처럼 우유 한 잔에는 콜로이드라는 화학적 원리와 정교한 가공 기술의 정수가 담겨 있습니다. 아이스크림의 부드러운 식감부터 우유의 하얀 빛깔까지, 일상 속에서 무심코 지나쳤던 우유의 모습들은 과학의 눈으로 볼 때 더욱 다채롭고 흥미로운 비밀을 우리에게 들려줍니다.

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화학
생명과학

[댓글 이벤트] 나만의 분자 만들기🧪동화같은 나노화학의 세계! 나노화학 Part.2ㅣ선을 넘는 과학자들

물질의 근원은 아주 작은 알갱이들로부터 시작됩니다. 우리는 이를 분자라 부르며, 그 분자를 구성하는 가장 기초적인 단위를 원자라고 정의합니다. 화학의 핵심은 이 원자들이 어떤 방식으로, 몇 개가 연결되느냐를 밝혀내는 데 있습니다. 예를 들어 에탄올은 탄소, 수소, 산소라는 평범한 원소들이 특정 구조로 결합하여 만들어진 결과물입니다. 이처럼 원자의 배열을 이해하고 조절할 수 있게 되면서 인류는 비로소 물질을 직접 설계하고 창조할 수 있는 능력을 갖추게 되었습니다. 화학자들의 도전은 점차 복잡한 구조를 가진 천연 물질을 인공적으로 합성하는 단계로 나아갔습니다. 대표적인 사례가 바로 비타민 B12입니다. 과거에는 자연에서만 얻을 수 있다고 생각했던 이 복잡한 유기물을 화학자가 실험실에서 하나하나 연결해 만들어냈을 때, 인류는 모든 유기물을 정복했다는 선언을 할 수 있었습니다. 이러한 성과는 노벨상으로 이어졌으며, 이후 과학자들은 물고기의 독인 시가톡신이나 테트로도톡신처럼 자연계에 존재하는 정교하고 치명적인 물질들까지도 자유자재로 합성해내기 시작했습니다. 물질을 만드는 능력이 정점에 달하자 화학자들은 예술적이고 유머러스한 시도를 하기 시작했습니다. 처음부터 바구니 모양을 의도하고 만든 '바스케테인'이나, 펭귄의 형상을 닮은 '펭귀논', 아폴로 우주선을 본뜬 '아폴레인' 등이 그 예입니다. 심지어 나노 크기의 소인 형상을 한 '나노푸티안'을 만들어 왕관이나 요리사 모자를 씌우고, 이들이 서로 손을 잡고 있는 구조를 논문으로 발표하기도 했습니다. 이는 단순히 재미를 넘어, 우리가 원하는 형태의 분자를 원자 단위에서 정밀하게 조립할 수 있다는 기술적 자신감을 보여주는 상징적인 사건들입니다. 이제 시선은 더 작은 세계인 나노화학으로 향합니다. 머리카락 굵기의 수만 분의 일에 불과한 탄소나노튜브는 철처럼 단단하면서도 매우 가벼워 미래 우주 엘리베이터의 핵심 재료로 주목받고 있습니다. 나노 세계는 단순히 크기가 작아지는 것을 넘어, 기존의 물리 법칙과는 다른 독특한 현상들이 나타나는 영역입니다. 원자 크기가 약 0.1나노미터임을 고려할 때, 이 미세한 영역에서 물질을 조립하는 기술은 인류의 건축 기술을 원자 단위로 확장하는 혁명적인 변화를 가져왔습니다. 나노 세계의 가장 흥미로운 점은 물질의 성질이 크기와 모양에 따라 완전히 변한다는 것입니다. 거시 세계에서 금은 항상 황금색이지만, 나노 단위로 작아지면 입자의 모양에 따라 빨간색, 초록색, 파란색으로 변합니다. 이러한 원리는 고대 로마의 리쿠르고스 컵이나 중세 성당의 스테인드글라스에도 숨어 있습니다. 빛의 방향에 따라 색이 변하거나 화려한 색채를 띠는 이유는 그 안에 금이나 은의 나노 입자가 포함되어 있기 때문입니다. 이처럼 나노화학은 보이지 않는 작은 세계를 통해 우리 세상을 더욱 다채롭고 풍요롭게 만들어가고 있습니다.

국립과천과학관선을 넘는 과학자들🔬

화학
융합

우리가 문제를 맞닥뜨릴 때마다 언제나 답을 찾아온 화학! 🧪화학을 전공하면 뭐든지 할 수 있다!?✨ | 2024 가족동반 진로탐색

화학은 단순히 원소 기호를 외우는 학문이 아니라, 우리 주변의 모든 물질이 어떻게 변화하고 상호작용하는지를 깊이 있게 탐구하는 '변화의 학문'입니다. 우리가 매일 숨 쉬는 공기부터 마시는 물, 그리고 지금 입고 있는 옷에 이르기까지 세상의 모든 것은 물질로 이루어져 있습니다. 화학은 이러한 물질들이 어떤 구조를 가지고 있는지 파악하고, 이를 어떻게 변화시켜 우리에게 유용한 새로운 물질을 만들어낼 수 있을지를 연구합니다. 우리 삶과 가장 밀접한 거리에서 세상의 근간을 연구하는 가장 기초적이면서도 실용적인 과학 분야라고 할 수 있습니다. 최근 화학계의 가장 큰 화두는 지속 가능한 미래를 위한 지구 환경 보호와 에너지 혁신에 집중되어 있습니다. 태양광 발전의 효율을 극대화하는 방식은 물론, 일상적인 움직임이나 마찰에서 발생하는 정전기를 활용해 전기를 생산하는 나노 발전기 연구가 활발히 진행 중입니다. 또한, 환경에 유출되어 생태계를 위협하는 플라스틱이나 각종 유해 물질을 분해하여 다시 유용한 원재료로 되돌리는 기술 역시 화학자들의 중요한 과제입니다. 화학은 인류의 편리함을 유지하면서도 지구가 직면한 환경 문제를 근본적으로 해결하는 열쇠를 쥐고 있습니다. 화학자의 길은 실험실에서 플라스크를 흔드는 모습에만 국한되지 않으며, 사회 곳곳에서 매우 다양한 형태로 존재합니다. 신소재를 개발하는 연구원뿐만 아니라, 물질의 안전성을 검증하고 국민의 건강을 보호하기 위한 법규와 제도를 만드는 정책 전문가로서의 역할도 매우 중요합니다. 예술 분야에서는 문화재를 과학적으로 분석하여 제작 시기와 기법을 밝혀내고, 천체화학 분야에서는 먼 우주 행성의 대기 성분을 분석해 생명체의 존재 가능성을 탐사하기도 합니다. 이처럼 화학은 보이지 않는 곳에서 사회 전반의 안전과 역사를 지탱하며 인류의 지평을 넓히는 데 기여하고 있습니다. 우리가 매일 사용하는 스마트폰이나 최신 의약품 속에도 화학의 정수가 담겨 있습니다. 터치 인식이 가능하면서도 단단한 특수 유리를 설계하고, 복잡한 회로 위에 금을 얇게 입히는 정교한 공정은 모두 화학적 원리를 바탕으로 구현됩니다. 특히 지난 코로나19 팬데믹 시기에 전 세계를 구한 mRNA 백신과 이를 체내의 목적지까지 안전하게 전달하는 약물 전달 시스템(DDS)은 생화학적 연구가 일궈낸 값진 결실입니다. 화학은 인류가 예상치 못한 거대한 위기 상황에 직면할 때마다 혁신적인 해결책을 제시하며, 우리가 나아갈 새로운 길을 끊임없이 개척해 온 든든한 버팀목입니다. 화학 분야를 지망하는 이들에게 가장 필요한 역량은 주변 사물에 대한 끊임없는 호기심과 이를 직접 확인하려는 실험 정신입니다. 복잡한 성분표를 보며 의문을 품고, 이를 해결하기 위해 도전하는 과정 자체가 화학의 시작이기 때문입니다. 화학은 단순히 책상에 앉아 이론을 공부하는 것에 그치지 않고, 직접 물질을 다루며 새로운 가치를 창조해내는 실천적인 학문입니다. "아는 것이 힘이다"라는 격언처럼, 화학 물질에 대한 막연한 공포 대신 정확한 지식을 갖춘다면 우리는 세상을 더욱 안전하고 풍요롭게 가꿀 수 있는 지혜를 얻게 될 것입니다.

국립과천과학관과학강연👨‍🏫

화학
생명과학
지구환경과학
융합

[용어사전] 물질의 양을 나타내는 단위_몰(mol)

일상에서 흔히 사용하는 종이컵에 물을 약 18 mL 정도 채우면 그 질량은 18 g이 됩니다. 이 작은 양의 물속에는 우리가 상상하기 힘들 정도로 엄청난 수의 물 분자가 들어있는데, 과학자들은 이 입자의 묶음 단위를 '몰(mole)'이라고 부릅니다. 이탈리아의 과학자 아보가드로의 이름을 딴 '아보가드로 수'는 약 6 × 10²³이라는 거대한 숫자를 나타내며, 어떤 입자가 이만큼 모였을 때 비로소 우리는 1몰이라는 단위를 사용하게 됩니다. 아보가드로 수의 크기를 실감하기 위해 지구상의 모든 모래알이나 우주의 별 개수와 비교해 볼 수 있습니다. 지구 전체의 모래알은 약 10²²개, 우주의 모든 별은 약 7 × 10²²개로 추정됩니다. 놀랍게도 종이컵 한 모금 분량의 물에 들어있는 분자 수가 전 우주에 존재하는 별의 총 개수보다 약 10배나 더 많습니다. 이는 미시 세계의 입자들이 얼마나 작고 조밀하게 구성되어 있는지를 극명하게 보여주는 사례라고 할 수 있습니다. 1몰이라는 숫자가 얼마나 거대한지 경제적인 관점에서 접근하면 더욱 놀랍습니다. 만약 누군가에게 1몰 원의 돈이 있다면, 우주의 나이인 138억 년 동안 매일 1,200억 원씩 써도 그 돈을 다 소진하지 못할 정도입니다. 이처럼 상상을 초월하는 숫자가 필요한 이유는 원자나 분자의 크기가 인간의 감각으로는 도저히 가늠할 수 없을 만큼 작기 때문입니다. 인간이 다룰 수 있는 최소한의 물리적 양을 표현하기 위해 이토록 거대한 단위가 필연적으로 도입된 것입니다. 아보가드로 수가 하필 이 숫자로 정해진 데에는 과학적인 이유가 있습니다. 가장 가벼운 원자인 수소는 양성자 하나로 이루어져 있는데, 이 양성자의 질량을 우리가 실생활에서 다루는 단위인 1 g으로 만들기 위해 필요한 개수가 바로 아보가드로 수입니다. 탄소의 경우 질량수가 12이므로 탄소 12 g 속에는 아보가드로 수만큼의 원자가 들어있게 됩니다. 이처럼 몰은 원자나 분자의 질량수와 실제 질량 사이를 연결해 주는 수학적이고 물리적인 열쇠 역할을 수행합니다. 결국 몰이라는 단위는 아주 작은 미립자의 세계와 우리 인간이 살아가는 거시 세계를 이어주는 일종의 다리입니다. 만물을 구성하는 입자들이 아보가드로 수만큼 모여야 비로소 인간이 실감하고 만질 수 있는 양이 되기 때문입니다. 흥미롭게도 인간의 크기는 아주 작은 원자의 세계와 광활한 우주의 중간 지점에 위치하고 있습니다. 덕분에 우리는 미시적인 입자의 법칙을 탐구하는 동시에 거대한 우주의 신비를 동시에 바라볼 수 있는 특별한 존재로 존재하게 됩니다.

카오스재단술술과학

화학

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

냄새는 단순히 하나의 화학 물질로 정의하기 어려운 복합적인 현상입니다. 장미 향기는 수많은 물질의 조합이며, 심지어 '인돌'처럼 단일한 성분이라도 농도에 따라 은은한 재스민 향에서 불쾌한 냄새로 변하기도 합니다. 과거 과학자들은 분자 구조만으로 냄새를 해석하려 했으나 번번이 실패했습니다. 이는 냄새가 물질 그 자체가 아니라, 우리 몸의 감각 기관이 받아들이는 정보의 패턴이기 때문입니다. 후각은 생명체가 지상으로 올라오기 전부터 가졌던 가장 원초적이고도 신비로운 감각입니다. 인간은 시각, 청각, 촉각과 같은 물리적 감각과 미각, 후각이라는 화학적 감각을 동시에 사용합니다. 현대 기술은 카메라나 마이크를 통해 물리적 정보를 완벽하게 디지털화했지만, 화학적 정보를 감지하는 장치는 여전히 오리무중이었습니다. 스마트폰으로 사진을 찍고 소리를 녹음할 수는 있어도 냄새를 맡거나 맛을 볼 수는 없는 이유가 여기에 있습니다. 후각은 오랫동안 베일에 싸여 있었으며, 우리 코와 혀를 대신할 전자 장비의 개발은 과학계의 오랜 숙제와도 같았습니다. 2004년 노벨 생리의학상을 통해 후각의 메커니즘이 분자 수준에서 밝혀지며 새로운 전기가 마련되었습니다. 인간의 코에는 약 400종의 후각 수용체가 존재하며, 특정 냄새 분자가 이들과 결합하여 만들어내는 '조합 패턴'이 뇌에 전달되어 냄새로 인지됩니다. 이는 마치 수많은 수용체가 손을 들어 특정 신호를 만드는 것과 같으며, 일종의 QR 코드와 같은 정보 체계를 형성합니다. 이러한 발견은 냄새를 화학 성분이 아닌 데이터의 패턴으로 이해하게 함으로써 바이오 전자코 개발의 이론적 토대가 되었습니다. 바이오 전자코는 생명공학과 나노 기술의 정교한 융합으로 탄생합니다. 인간의 후각 수용체 유전자를 세포에 도입하여 발현시킨 뒤, 이를 나노 소낭으로 분리하여 탄소 나노튜브와 결합합니다. 냄새 분자가 수용체와 결합할 때 발생하는 미세한 전기 신호의 변화를 포착함으로써, 인간의 코와 유사한 방식으로 냄새를 감지하는 것입니다. 이 기술은 단순히 냄새를 맡는 것을 넘어, 생물학적 수용체의 민감도를 전자 소자의 정밀함과 결합하여 보이지 않는 화학 정보를 가시화하는 혁신을 보여줍니다. 미래의 바이오 전자코는 의료, 식품, 환경 등 다양한 분야에서 혁명적인 변화를 이끌 것입니다. 날숨만으로 암을 진단하거나 식품의 신선도를 실시간으로 파악하고, 재난 현장에서 실종자를 찾는 등 그 활용도는 무궁무진합니다. 나아가 냄새 정보를 디지털 코드로 변환하여 전송할 수 있게 된다면, 우리는 시각과 청각을 넘어 후각까지 공유하는 진정한 오감 스마트폰 시대를 맞이하게 될 것입니다. 미지의 영역이었던 화학적 감각이 기술과 만나 우리의 삶을 더욱 풍요롭고 안전하게 만들어줄 날이 머지않았습니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[명강리뷰] 분자 관람 : 공학의 미학 _ by이동환｜2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 7강

화학은 흔히 무언가를 만드는 분자 공학으로 알려져 있지만, 본질적으로는 원자들이 모여 새로운 성질을 나타내는 공간을 탐구하는 학문입니다. 현재 화학 초록 서비스에 등록된 화학물질은 약 1억 4,300만 개에 달할 정도로 방대합니다. 이처럼 수많은 물질이 이미 존재함에도 불구하고 화학자들이 끊임없이 새로운 분자를 설계하고 만드는 이유는, 분자가 단순히 평면적인 존재가 아니라 입체적인 구조를 가진 공간의 산물이기 때문입니다. 따라서 화학은 만드는 학문을 넘어 공간을 이해하는 학문이라 할 수 있습니다. 입체화학의 핵심은 분자가 평평하지 않다는 사실에서 출발합니다. 탄소 주변에 네 개의 서로 다른 원소가 결합하면 거울에 비친 모습과 실제 모습이 서로 겹쳐지지 않는 비대칭성이 나타나는데, 이를 '키랄성'이라고 부릅니다. 마치 왼손과 오른손이 거울상이지만 서로 포개어질 수 없는 것과 같은 원리입니다. 이러한 미세한 구조적 차이는 물질의 성질을 완전히 바꾸어 놓으며, 생명 현상의 근간을 이루는 중요한 요소로 작용합니다. 화학자들은 이 보이지 않는 공간의 대칭성을 연구하며 물질의 본질에 다가갑니다. 키랄성의 차이는 실생활에서 맛이나 향, 심지어 약효의 차이로 극명하게 나타납니다. 인공감미료인 아스파탐의 한쪽 거울상 이성질체는 단맛을 내지만, 그 거울상 이성질체는 쓴맛을 내는 것이 대표적인 예입니다. 또한 겨드랑이 미생물이 만들어내는 특정 분자는 구조에 따라 양파 냄새나 자몽 냄새로 다르게 인식되기도 합니다. 약물의 경우 한쪽은 치유 효과가 있지만 다른 쪽은 독성을 가질 수도 있어, 원하는 거울상 이성질체만을 선택적으로 합성하는 기술은 현대 화학에서 매우 중요한 과제입니다. 최근 화학계는 일반적인 화학 결합을 넘어 분자들이 기계적으로 엮인 '분자 기계' 연구에 주목하고 있습니다. 두 개의 고리가 사슬처럼 연결된 카테네인과 같은 구조는 단순히 원자를 붙이는 것이 아니라, 금속 이온을 템플릿으로 활용해 분자를 특정 위치에 고정시킨 뒤 연결하는 정교한 설계가 필요합니다. 이러한 기계적 결합의 합성은 화학자의 설계 능력과 합성 기술이 결합된 정점으로, 분자 수준에서 움직임을 제어할 수 있는 새로운 가능성을 열어주며 노벨 화학상의 영예를 안겨주기도 했습니다. 유기합성의 거장 R.B. 우드워드는 복잡한 비타민 B12를 합성하며 화학 합성을 단순한 기술이 아닌 '예술'의 경지로 끌어올렸습니다. 100명이 넘는 연구자가 13년 동안 매달려 이룬 이 성과는 단순히 물질을 얻기 위함이 아니라, 그 과정에서 새로운 화학 법칙을 발견하고 학문의 지평을 넓히는 데 의의가 있었습니다. 화학 합성은 당면한 문제를 해결하는 도구이자 창의적인 사고를 훈련하는 길입니다. 원자와 원자를 잇는 정교한 작업을 통해 우리는 물질의 세계를 이해하고 새로운 가치를 창조해 나갑니다.

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[카오스 짧강] 둘 사이의 '케미'를 볼 수 있을까?_by윤신영｜2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 3강

‘케미’라는 말은 현대 사회에서 사람 사이의 상호작용을 뜻하는 유행어로 자리 잡았습니다. 이 용어의 뿌리인 화학은 보이지 않는 원자들의 결합과 분해 과정을 다루는 학문입니다. 과거의 과학자들은 눈에 보이지 않는 원자를 세상의 정수로 정의하고, 이들이 어떻게 다양한 물질을 만들어내는지 고민하기 시작했습니다. 하지만 200년 전에는 원자를 직접 볼 수 있는 기술이 없었기에, 그들은 오직 상상력과 추상적인 기호를 통해 미시 세계를 시각화해야만 했습니다. 1865년, 독일 출신의 화학자 호프만은 대중 강연에서 획기적인 시각화 도구를 선보였습니다. 그는 당구공이나 크로케 공에 막대기를 꽂아 메테인과 같은 분자 구조를 설명했습니다. 비록 당시에는 원자들이 정확히 어떻게 결합하는지 과학적 근거가 부족했지만, 추상적인 개념을 실물로 구현했다는 점에서 큰 의미가 있었습니다. 이는 과학적 사실을 대중에게 전달하는 '과학 커뮤니케이션'의 훌륭한 사례로 평가받으며, 화학의 시각적 역사를 여는 중요한 발걸음이 되었습니다. 제임스 듀어는 성냥개비와 유사한 도구로 벤젠의 육각형 구조와 이중 결합을 묘사하며 시각화의 지평을 넓혔습니다. 한편, 케쿨레는 뱀이 자신의 꼬리를 무는 꿈에서 영감을 얻어 고리 모양의 벤젠 구조를 확립한 것으로 유명합니다. 그는 1872년 논문을 통해 오늘날 우리가 교과서에서 배우는 선과 기호 중심의 화학 구조식을 정립했습니다. 이러한 시도들은 단순히 그림을 그리는 것을 넘어, 복잡한 화학적 성질을 직관적으로 이해할 수 있는 공통의 언어를 만드는 과정이었습니다. 과학의 역사 뒤편에는 안타깝게 잊힌 인물도 존재합니다. 아치볼드 쿠퍼는 케쿨레보다 앞서 탄소의 결합 원리를 발견하고 독창적인 구조식을 고안했습니다. 그러나 당시 학계의 강력한 권위를 가졌던 케쿨레의 그늘에 가려 그의 아이디어는 오랫동안 빛을 보지 못했습니다. 지도 교수와의 갈등으로 논문 발표가 늦어지는 불운까지 겹치며 그는 역사 속으로 사라질 뻔했습니다. 다행히 사후 100년이 지나서야 그의 업적이 재조명되었고, 오늘날 근대 화학 구조의 선구자로 인정받고 있습니다. 오늘날의 시각화는 노벨 생리의학상 주제인 면역항암제의 원리를 설명하는 데까지 확장되었습니다. 면역 세포와 암세포 사이의 복잡한 상호작용을 기호와 도식으로 표현하는 방식은 과거 원자 결합을 묘사하던 노력과 맞닿아 있습니다. 보이지 않는 영역을 보이게 만드는 과정은 수많은 과학자와 작가들의 시행착오를 거치며 발전해 왔습니다. 우리가 무심코 접하는 화학 구조식 하나하나에는 미시 세계를 이해하고자 했던 인류의 치열한 사고와 열정이 고스란히 담겨 있습니다.

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[인터뷰] 현택환_세계적인 연구는 무엇이라고 생각하시나요?

시골 초등학교 시절 과학 경시 대회에서 은상을 받으며 과학자로서의 소질을 발견한 경험은 한 평생의 길을 결정짓는 중요한 계기가 되었습니다. 당시 산·염기 적정 실험을 통해 느꼈던 흥미는 단순한 호기심을 넘어 40년이 넘는 시간 동안 화학이라는 한 우물을 파게 만든 강력한 원동력이 되었습니다. 이처럼 어린 시절에 자신의 적성을 일찍이 발견하고, 그 길을 묵묵히 걸어온 끈기와 열정은 오늘날 세계적인 석학으로 자리매김할 수 있었던 가장 결정적인 요인이 되었습니다. 서울대 석좌교수이자 IBS 단장이라는 직함은 영광스러운 만큼 막중한 책임감과 스트레스를 동반합니다. 이러한 압박감을 해소하기 위해 선택한 테니스는 단순한 운동 이상의 의미를 지닙니다. 일주일에 12시간 이상 코트 위에서 땀을 흘리며 스트레스를 날려버릴 뿐만 아니라, 다양한 분야의 사람들과 복식 경기를 즐기며 폭넓은 인간관계를 형성하고 있습니다. 건강한 신체와 활발한 소통은 연구에 몰입할 수 있는 에너지를 재충전하는 소중한 시간이 됩니다. 나노기술은 현대 문명을 지탱하는 다양한 완제품의 성능을 결정짓는 핵심적인 원천기술입니다. 스마트폰의 디스플레이, 배터리, 반도체 소자 등은 모두 특정한 재료로 만들어지는데, 나노미터 크기에서 이 재료들의 성질을 정밀하게 조절함으로써 기기의 효율을 극대화할 수 있습니다. 이는 IT 분야를 넘어 수소연료전지, 태양전지와 같은 에너지 산업은 물론 암 진단 및 치료를 포함한 의료 분야에 이르기까지 21세기 인류의 삶을 혁신하는 필수적인 기반 기술로 자리 잡고 있습니다. 노벨 재단은 후보자 명단을 50년간 비밀에 부치기 때문에 공식적인 '노벨상 후보'라는 표현은 사실과 다를 수 있습니다. 하지만 세계적인 논문 인용 분석 기관인 '웹 오브 사이언스'에서 발표하는 '피인용 우수 연구자' 명단에 이름을 올렸다는 것은 학계에서 노벨상급 연구력을 인정받았음을 의미합니다. 실제로 리튬 이온 배터리나 유전자 가위 기술로 노벨상을 받은 석학들도 과거 이 명단에 포함된 바 있습니다. 이러한 국제적 인정은 연구자에게 큰 영광이자 지속적인 연구를 이어가게 하는 강력한 자극제가 됩니다. 기초과학연구원(IBS) 단장으로 부임한 이후의 10년은 연구 인생에서 '세계 최고 수준'을 넘어 '독보적인 세계 최고'로 도약하는 전환점이 되었습니다. 나노입자 연구단은 지난 10년간 누구도 따라올 수 없는 압도적인 연구 업적을 쌓아왔으며, 이는 기초 연구의 감동과 응용 연구의 실용성을 동시에 추구한 결과입니다. 당장의 성과에 급급하기보다 먼 미래에 인류의 난치병을 치료하고 새로운 에너지 패러다임을 제시할 수 있는 파괴적인 혁신을 목표로 삼아, 연구의 즐거움을 만끽하며 끊임없이 정진하고 있습니다.

현택환

카오스재단석학인터뷰

화학
생명과학
융합

[인터뷰] 심상희_과학연구 99% 좌절 | 2021 가을 카오스강연 '과학의 희열'

뚜렷한 목표가 없어도 괜찮습니다. 심상희 교수는 자신이 하고 싶은 대로 살아오며 다양한 분야를 탐색해 온 과정을 담담하게 고백합니다. 학부 시절부터 대학원 과정에 이르기까지, 그는 한 우물만 파기보다 화장품 동호회 활동이나 밀라노 박람회 방문 등 다채로운 경험을 쌓았습니다. 이러한 방황은 결국 자신에게 가장 잘 맞는 길을 찾는 소중한 밑거름이 되었습니다. 과학자의 길 역시 99%의 좌절과 1%의 희열로 이루어져 있지만, 그 찰나의 성취감이 주는 중독성이 그를 계속해서 연구의 세계로 이끌었습니다. 새로운 세상을 향한 갈망은 그를 유학의 길로 인도했습니다. 그는 단순히 학위를 따기 위한 목적보다는, 평생 가는 공부인 만큼 가장 어렵고 재밌어 보이는 분야를 선택하는 용기를 보여주었습니다. 전공과 전혀 상관없는 박사후연구원(포닥) 과정을 거치며 기존 지식이 통하지 않는 어려움도 겪었지만, 펨토초 펄스를 이용한 복잡한 분광학 실험을 통해 자신만의 연구 영역을 구축해 나갔습니다. 남들이 잘 가지 않는 길을 선택하고 헤매는 과정 속에서도 자신의 마음이 가는 대로 움직였기에, 결국 초고해상도 형광 현미경법이라는 독자적인 분야에 도달할 수 있었습니다. 화학은 흔히 '중심 과학(Central Science)'이라고 불리며 다양한 기초 학문의 중심점 역할을 수행합니다. 심상희 교수의 연구 역시 분자와 빛의 상호작용을 이용해 현미경의 물리적 해상도 한계를 뛰어넘는 혁신적인 기술을 다룹니다. 이는 단순히 물질을 섞어 새로운 것을 만드는 전통적인 화학의 범위를 넘어, 생명 현상을 실시간 동영상으로 촬영하는 공학적이고 생물학적인 측면까지 아우릅니다. 보이지 않는 미시 세계를 시각화하여 남들이 보지 못한 새로운 생명 영상을 얻어내는 과정은 화학이 가진 무한한 확장성과 가능성을 잘 보여주는 사례입니다. 일상 속의 과학은 거창한 발견에만 국한되지 않습니다. 세 살배기 아이를 키우는 육아의 과정은 매일매일 새로운 도전에 직면하고 이를 해결해야 하는 과학 연구와 닮아 있습니다. 말이 통하지 않는 아이의 의중을 파악하고 돌발 상황에 대처하는 일은, 마치 실험실에서 고장 난 레이저를 수리하거나 컴퓨터 문제를 해결하는 과정과 비슷합니다. 매일 주어지는 사소한 문제들을 하나씩 해결해 나가는 과정은 게임 속 퀘스트를 깨는 것과 같은 성취감을 줍니다. 이러한 일상의 반복은 과학자로서의 끈기와 문제 해결 능력을 더욱 단단하게 만들어 줍니다. 어린 시절 탐독했던 만화적 상상력은 현재의 과학적 탐구와 맞닿아 있습니다. 만화가 글과 그림을 결합해 허구의 이야기를 전달한다면, 과학은 이미지와 데이터를 통해 자연 현상이라는 실재하는 이야기를 풀어내는 작업입니다. 비주얼한 측면에 매료되었던 소년의 호기심은 이제 현미경을 통해 세포의 움직임을 포착하고 이를 서사로 구성하는 과학자의 시선으로 진화했습니다. 매일 새로운 이미지를 찍고 재구성하며 대중에게 소개하는 작업은 결국 만화적 감수성과 과학적 엄밀함이 만나는 지점입니다. 자신만의 이야기를 찾아가는 여정은 지금도 계속되고 있습니다.

심상희

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화학

[인터뷰] 최희정_ 구조세포생물학을 하고 싶어요! | 2021 가을 카오스강연 '과학의 희열'

과학은 끊임없이 미지의 영역에 대한 화두를 던지며 탐구의 가치를 증명하는 매력적인 분야입니다. 명확한 답을 주는 수학과 화학에 매료되었던 어린 시절의 열정은 고등학교 시절 화학 선생님의 영향으로 더욱 깊어졌습니다. 이러한 화학적 원리원칙에 대한 이해는 훗날 생물학적 현상을 탐구하는 든든한 밑바탕이 되었으며, 결국 단백질의 생김새와 기능을 연구하는 구조생물학자의 길로 이끌었습니다. 자신이 진정으로 즐길 수 있는 일을 찾는 것이야말로 과학자로서의 길을 꾸준히 걷게 하는 가장 큰 원동력이 됩니다. 구조생물학의 핵심은 '구조가 기능을 설명한다'는 원리에 있습니다. 이는 마치 나사를 조이는 드라이버와 볼트를 돌리는 스패너의 모양이 서로 다른 이유와 같습니다. 단백질 역시 특정한 3차원 구조를 형성함으로써 생체 내에서 고유한 역할을 수행합니다. 단백질을 구성하는 아미노산들은 화학 물질이기에, 이들 사이의 상호작용을 이해하는 데 있어 화학적 지식은 필수적입니다. 세포막 단백질이 외부 신호를 어떻게 받아들여 내부로 전달하는지 그 작용 기전을 밝히는 것은 생명 현상을 이해하는 첫걸음이 됩니다. 최근 구조생물학 분야는 인공지능 기술의 도입으로 획기적인 변화를 맞이하고 있습니다. 과거에는 단백질 구조 하나를 규명하는 데 막대한 시간과 노력이 필요했지만, 이제는 알파폴드2와 같은 프로그램을 통해 아미노산 서열만으로도 상당히 정확한 구조 예측이 가능해졌습니다. 하지만 거대 복합체의 형태나 미세한 화학 분자와의 결합을 예측하는 데는 여전히 한계가 존재합니다. 따라서 예측 프로그램은 연구를 대체하는 것이 아니라, 오히려 구조 정보를 효율적으로 활용하여 단백질의 기능을 더욱 깊이 있게 연구할 수 있도록 돕는 강력한 도구가 됩니다. 생명이란 무엇인가에 대한 정의는 관점에 따라 다양하게 해석될 수 있습니다. 물리학자 슈뢰딩거는 무질서 속에서 질서를 찾아가는 엔트로피 감소의 과정을 생명으로 보았으나, 생물학적으로는 유전 물질을 통한 증식과 대사 활동, 환경에 반응하며 진화하는 능력을 중시합니다. 이러한 기준에서 볼 때, 스스로 생존하지 못하고 숙주에 기생하는 바이러스는 생명체와 생명 물질 사이의 경계에 놓여 있습니다. 하지만 최근 거대 바이러스의 발견처럼 새로운 과학적 사실들이 밝혀짐에 따라 생명에 대한 우리의 정의와 기준도 끊임없이 변화하고 확장될 것입니다. 앞으로의 연구는 개별 단백질의 구조를 넘어, 복잡한 세포 시스템 안에서 일어나는 역동적인 상호작용을 직접 관찰하는 방향으로 나아가고 있습니다. 이를 '인사이투(In situ) 구조생물학'이라 부르는데, 이는 조각조각 떨어진 정보들을 세포라는 전체 맥락 속에서 하나로 짜 맞추는 작업입니다. 바이러스가 수용체와 결합하여 세포 내부로 침투하는 과정이나 단백질 간의 결합 시간을 실시간으로 확인하는 기술은 생명 현상을 더욱 입체적으로 이해하게 해줄 것입니다. 이러한 도전은 우리가 세포 안에서 일어나는 일들을 더욱 빠르고 정확하게 파악하는 시대를 열어줄 것입니다.

최희정

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생명과학

[연구뭐하지] 박승범 교수_서울대학교 '화학생물학 연구실' | 화학부에서 분자생물학 연구를? 그래서 더 다채로운 바이오 연구를 할 수 있는 곳!

생명 현상은 신비롭고 복잡하지만, 그 본질을 들여다보면 단백질, DNA, RNA와 같은 분자들의 정교한 상호작용으로 이루어져 있습니다. 화학생물학은 이러한 분자 수준에서의 화학적 상호작용을 이해하고 조절함으로써 생명의 비밀을 풀어나가는 학문입니다. 서울대학교 화학부 화학생물학 연구실은 이러한 기초적인 이해를 바탕으로 질병을 치료할 수 있는 새로운 치료제를 개발하는 데 매진하고 있습니다. 분자 수준의 통찰력은 복잡한 생명 현상을 명확하게 규명하는 강력한 도구가 됩니다. 연구실에서는 유기화학적 지식을 기반으로 인체의 신비를 탐구하며, 특히 다양한 질병 모델을 활용한 표현형 기반 스크리닝을 진행합니다. 발굴된 화합물이 어떤 단백질을 표적으로 삼는지, 그리고 어떤 생리적 기전을 통해 치료 효과를 나타내는지 파악하기 위해 TS-FITGE와 같은 독창적인 연구 기법을 활용합니다. 이는 단순히 물질을 발견하는 것에 그치지 않고, 그 물질이 생체 내에서 작용하는 구체적인 경로를 과학적으로 입증하여 신약 개발의 가능성을 높이는 중요한 과정입니다. 이곳의 유기합성 연구는 일반적인 유기화학과는 차별화된 지향점을 가집니다. 단순히 새로운 반응론을 개발하는 것에 머물지 않고, 그 반응이 생물학적으로 어떤 의미를 갖는지 끊임없이 자문합니다. 생물학적 활성이 기대되는 구조를 설계하여 합성하거나, 생명 현상을 실시간으로 관측할 수 있는 형광 분자를 제작하는 등 모든 합성 과정의 중심에는 생물학적 가치가 자리 잡고 있습니다. '왜 이 물질을 만드는가'에 대한 확고한 해답은 연구자들에게 강력한 동기를 부여하며 질병 치료라는 목표를 향해 나아가게 합니다. 연구의 효율성을 극대화하기 위한 아낌없는 지원과 최첨단 시설은 이 연구실의 큰 자랑입니다. 유기합성부터 바이오 실험까지 모든 단계를 한곳에서 마무리할 수 있도록 국내 최고 수준의 장비와 리소스를 갖추고 있습니다. 특히 연구자의 시간을 소중히 여기는 철학에 따라, 학생들이 연구에만 몰두할 수 있는 환경을 조성하는 데 지원을 아끼지 않습니다. 이러한 인프라는 학생들이 각자의 프로젝트를 독립적이면서도 전문적으로 수행할 수 있게 돕는 든든한 밑거름이 되어 줍니다. 다양한 전공 배경을 가진 인재들이 모여 협력하는 문화는 연구실을 더욱 풍요롭게 만듭니다. 교수님은 자신을 정원사에 비유하며, 학생들이 각자의 재능과 관심에 따라 스스로 성장할 수 있도록 돕는 조력자 역할을 자처합니다. 획일적인 방향을 강요하기보다 각자의 나무가 가장 예쁜 꽃을 피울 수 있도록 적절한 가지치기와 지원을 제공하는 것입니다. 미래의 유망한 분야를 쫓기보다 자신이 진정으로 좋아하는 것이 무엇인지 깨닫고 이를 깊이 있게 탐구할 때, 연구자로서의 진정한 성장이 시작됩니다.

박승범

카오스재단연구뭐하지

화학
생명과학

[강연] 제28회 2021 서울대 자연과학 공개강연_'불확실한 세계, 그래서 과학'

현대 사회는 거대하고 복잡한 불확실성으로 가득 차 있습니다. 기후 변화부터 감염병의 확산까지, 우리가 마주하는 현실은 한 개인이 온전히 이해하기에는 너무나 방대합니다. 이러한 혼돈 속에서 과학은 단순한 지식의 나열을 넘어, 세상을 투명하게 바라보게 하는 나침반 역할을 수행합니다. 과학자들은 보편적 원리를 탐구함으로써 복잡한 현상 이면에 숨겨진 불변의 법칙을 찾아내고, 이를 통해 미래를 예측하며 인류가 나아갈 방향을 제시합니다. 불확실한 세계일수록 과학적 사고는 더욱 빛을 발하며 우리 삶의 근간을 지탱하는 강력한 도구가 됩니다. 수학은 불확실성 속에서 질서를 찾아내는 가장 강력한 언어입니다. 주사위를 던지는 사소한 행위부터 바이러스의 확산 경로를 예측하는 일까지, 수학은 '큰 수의 법칙'이나 '감염 재생산 지수'와 같은 개념을 통해 복잡한 데이터를 유의미한 정보로 변환합니다. 특히 확률적 모델을 통해 집단 면역의 임계점을 계산하거나 상전이를 이해하는 과정은 수학이 현실 세계와 얼마나 밀접하게 연결되어 있는지를 잘 보여줍니다. 수학적 소양을 기르는 것은 단순히 공식을 외우는 것이 아니라, 세상의 겉모습에 현혹되지 않고 그 중심에 흐르는 보편적 원리를 꿰뚫어 보는 통찰력을 갖추는 과정입니다. 지구 표면의 대부분을 차지하는 바다는 여전히 인류에게 미지의 영역으로 남아 있습니다. 전 세계 바다의 80% 이상이 아직 탐사되지 않았으며, 심해의 지형은 달의 표면보다도 덜 알려져 있습니다. 하지만 아르고 플로트와 같은 첨단 무인 관측 장비와 인공위성을 활용한 현대 해양학은 바다의 운동과 기후 변화의 상관관계를 정밀하게 추적하고 있습니다. 바다는 지구에 축적된 열에너지의 90%를 흡수하며 기후 조절자 역할을 수행합니다. 해류의 흐름과 수온 변화를 이해하는 것은 엘니뇨와 같은 기상 이변에 대비하고, 해양 생태계와 인류의 공존을 도모하는 데 필수적인 과제입니다. 우리 몸의 설계도인 DNA는 G, A, T, C라는 네 종류의 염기로 기록된 방대한 정보의 집합체입니다. 31억 자에 달하는 인간 유전체를 해독하기 위한 '인간 게놈 프로젝트'는 생명과학의 패러다임을 완전히 바꾸어 놓았습니다. 유전체 지도를 확보함으로써 인류는 희귀 질환의 원인을 규명하고 환자 맞춤형 정밀 의료를 실현할 수 있는 기반을 마련했습니다. 특히 최근의 시퀀싱 기술 발전은 코로나19 바이러스의 정체를 신속히 파악하고 백신을 단기간에 설계하는 데 결정적인 기여를 했습니다. 유전 정보의 해독은 생명의 신비를 밝히는 것을 넘어 인류의 건강과 생존을 지키는 핵심 기술로 자리 잡았습니다. 효소는 생명체 내에서 일어나는 거의 모든 화학 반응을 관장하는 정교한 촉매제입니다. 수백 년이 걸릴 수 있는 소화 과정을 단 몇 시간으로 단축하는 효소의 능력은 현대 과학 기술로도 완벽히 모사하기 어려울 만큼 경이롭습니다. 과학자들은 '유도 진화'와 같은 혁신적인 기법을 통해 자연계에 존재하는 효소의 기능을 개량하거나, 플라스틱을 분해하는 새로운 효소를 설계하는 등 환경 문제 해결에 도전하고 있습니다. 아미노산 서열의 미묘한 변화가 거대한 구조적 차이를 만들어내는 효소의 세계는 마치 작은 우주와 같습니다. 이러한 거대 분자에 대한 연구는 지속 가능한 미래를 위한 화학적 해답을 제시합니다. 현대 과학의 성과는 수학, 해양학, 생명과학, 화학 등 서로 다른 분야의 지식이 융합될 때 더욱 극대화됩니다. 수학적 모델링은 감염병 방역 정책의 근거가 되고, 해양 관측 데이터는 기후 위기 대응의 기초가 되며, 유전체 분석과 효소 공학은 신약 개발의 핵심이 됩니다. 과학자들은 각자의 영역에서 미지의 세계를 탐구하지만, 결국 그들의 목적지는 인류가 직면한 불확실성을 해소하고 더 나은 세상을 만드는 것이라는 점에서 일치합니다. 학문 간의 경계를 허무는 협력과 소통은 복잡해지는 지구촌 문제를 해결하기 위한 가장 효과적인 전략이며, 과학이 가진 진정한 힘은 바로 이러한 연결에서 나옵니다. 과학의 출발점은 주변 현상에 대한 사소한 호기심이며, 그 결실을 맺게 하는 동력은 포기하지 않는 끈기입니다. 보이지 않는 심해를 탐사하고, 보이지 않는 유전자를 읽어내며, 보이지 않는 분자의 세계를 설계하는 과정은 끊임없는 도전의 연속입니다. 불확실한 세계는 우리에게 두려움을 주기도 하지만, 동시에 과학이라는 도구를 통해 탐험할 수 있는 무한한 기회를 제공합니다. 질문을 멈추지 않고 진리를 찾아 나가는 과학적 태도는 미래 세대가 갖추어야 할 가장 소중한 가치입니다. 호기심을 잃지 않고 학문에 정진할 때, 우리는 비로소 불확실성을 확신으로 바꾸며 새로운 시대를 열어갈 수 있을 것입니다.

나한나, 서인석, 송윤주, 장혜식

카오스재단서울대자연과학공개강연

화학
생명과학
지구환경과학
수학

[석학인터뷰] 송윤주_ 효소의 무궁한 가능성과 난제 | 2021 서울대 자연과학대 공개강연 '불확실한 세계, 그래서 과학'

화학은 환경 오염의 원인이 되기도 하지만, 동시에 이를 해결할 열쇠를 쥐고 있습니다. 그 중심에는 생명체의 촉매인 효소가 있습니다. 효소는 20가지 아미노산의 조합으로 이루어진 단백질로, 다양한 화학 반응을 촉진하는 역할을 합니다. 최근에는 알파폴드 2와 같은 인공지능 기술이 도입되면서 효소 설계에 혁신이 일어나고 있습니다. 다만 효소는 정적인 구조에 머물지 않고 동적인 변화를 통해 반응을 이끌어내기에, 이를 완벽히 구현하기 위한 인공지능 연구가 더욱 활발히 진행되고 있습니다. 효소는 자연계에 존재하는 거의 모든 화학 반응에 관여한다고 해도 과언이 아닙니다. 우리가 숨을 쉴 때 필요한 산소가 식물 내 효소에 의해 합성되는 과정부터, 대기 중의 질소를 고정하는 반응까지 모두 효소의 손길을 거칩니다. 이처럼 효소는 모든 생명체가 생존하고 활동하는 데 필수적인 화학적 기반을 제공합니다. 생명 현상의 정교함은 곧 효소가 가진 탁월한 촉매 기능에서 비롯되며, 이는 현대 과학이 풀어내야 할 거대한 난제이자 무한한 가능성의 영역이기도 합니다. 오늘날 심각한 환경 문제로 대두된 플라스틱 오염 역시 효소를 통해 해결의 실마리를 찾을 수 있습니다. 플라스틱은 매우 안정적인 고분자 구조를 가지고 있어 자연 분해가 어렵지만, 효소 중에는 이러한 고분자의 단단한 결합을 끊어낼 수 있는 것들이 존재합니다. 마치 소화 효소가 음식물을 분해하는 것과 유사한 원리입니다. 최근 과학계에서는 플라스틱을 인식하고 분해하는 특정 효소를 발굴하거나 새롭게 합성하려는 연구가 이어지고 있으며, 이는 지속 가능한 지구를 위한 중요한 전환점이 될 것입니다. 하지만 우리가 원하는 특정 기능을 가진 효소를 설계하는 일은 결코 쉽지 않습니다. 20가지 아미노산으로 만들 수 있는 조합의 수는 우주 전체의 원자 수보다도 많을 정도로 천문학적이기 때문입니다. 그럼에도 불구하고 제약 산업에서는 이미 인공 효소를 활용해 신약 개발의 효율을 높이고 있습니다. 기존의 독성 강한 화학 물질 대신 효소를 사용하면 정제 과정이 간소화되고 반응의 선택성도 높아집니다. 이러한 기술적 진보는 인류의 건강을 증진하는 동시에 화학 공정의 안전성을 확보하는 데 기여하고 있습니다. 결국 화학과 효소는 인류에게 이로움을 주는 동시에 예기치 못한 문제를 일으킬 수도 있는 양날의 검과 같습니다. 효소가 생명을 유지하기도 하지만 때로는 질병을 유발하듯, 화학 기술 역시 환경 오염이라는 부작용을 낳기도 했습니다. 그러나 플라스틱을 만들어낸 것이 인간의 화학 기술이듯, 그 문제를 해결할 수 있는 힘 또한 화학에 있습니다. 기술을 어떻게 활용하느냐는 결국 인간의 선택과 책임에 달려 있습니다. 화학의 힘을 빌려 오염을 해결하려는 노력은 우리가 마땅히 나아가야 할 길입니다.

송윤주

카오스재단석학인터뷰

화학

[공연] 밴드 '닥터스' by안성진, 김규목, 황승민 | 2019 카오스콘서트 '변신, 기원이야기' Special Stage

과학과 예술은 언뜻 보기에 서로 다른 영역처럼 느껴지지만, 사실 세상을 탐구하고 표현한다는 점에서 깊은 공통점을 지니고 있습니다. 복잡한 수식과 딱딱한 이론으로만 여겨졌던 과학적 원리들이 선율과 가사를 만나면 대중에게 더욱 친숙하고 아름답게 다가갈 수 있습니다. 이러한 시도는 과학이 가진 본연의 가치를 재발견하게 하며, 우리가 일상에서 무심코 지나쳤던 자연 현상 속에 숨겨진 경이로움을 일깨워 줍니다. 음악을 통해 전달되는 과학은 단순한 지식 전달을 넘어 감동을 주는 하나의 이야기가 됩니다. 물리학의 가장 기초적인 법칙 중 하나인 'F=ma'는 힘이 가속도라는 구체적인 물리량으로 변모하는 과정을 보여줍니다. 이는 단순히 수치상의 계산을 넘어, 보이지 않는 힘이 실질적인 변화를 이끌어내는 역동적인 변신의 과정이라고 할 수 있습니다. 열정과 에너지가 어떤 방향성을 가지고 투입되었을 때, 그것이 물체의 상태를 바꾸고 새로운 흐름을 만들어내는 모습은 우리 삶의 모습과도 닮아 있습니다. 과학적 법칙은 이처럼 정적인 상태에 머물지 않고 끊임없이 변화하며 세상의 움직임을 설명하는 핵심적인 열쇠가 됩니다. 지질학적 관점에서 대리암의 탄생은 고난과 역경을 거쳐 완성되는 예술 작품과 같습니다. 본래 평범한 석회암이었던 물질이 땅속 깊은 곳에서 엄청난 열과 강한 압력을 견뎌내며 비로소 대리암이라는 새로운 존재로 거듭나기 때문입니다. 이러한 변성 작용은 물질의 성질 자체가 완전히 바뀌는 극적인 변화를 의미합니다. 평범했던 광물이 극한의 환경을 통과하며 단단하고 아름다운 무늬를 가진 보석 같은 존재로 변신하는 과정은 자연이 우리에게 보여주는 가장 위대한 마법 중 하나라고 할 수 있습니다. 대리암의 주성분인 탄산칼슘은 화학적으로도 흥미로운 반응을 보여줍니다. 염산과 같은 산성 물질과 만났을 때 이산화탄소를 발생시키며 격렬하게 반응하는 모습은 물질 간의 상호작용이 만들어내는 또 다른 형태의 변신입니다. 탄산칼슘과 염산이 만나 염화칼슘과 물, 그리고 기체인 이산화탄소가 발생하는 과정은 눈에 보이지 않는 원자들이 재배열되며 새로운 물질을 형성하는 과학적 원리를 명확하게 보여줍니다. 이러한 화학 반응식은 단순한 기호의 나열이 아니라, 물질이 서로 소통하며 변화하는 생생한 기록과도 같습니다. 과학은 실험실 안의 전유물이 아니라 우리 주변 어디에나 존재하는 삶의 일부입니다. 물리 법칙부터 화학 반응에 이르기까지, 세상의 모든 변화는 과학이라는 틀 안에서 설명될 수 있습니다. 이러한 과학적 사실들을 창의적인 시각으로 바라보고 다양한 분야와 접목하려는 노력은 대중이 과학을 더욱 친근하게 느끼도록 돕습니다. 앞으로도 과학의 아름다움을 알리려는 시도들이 계속된다면, 우리는 세상을 이해하는 더 넓은 시야를 갖게 될 것입니다. 과학과 예술의 만남은 지적 호기심을 자극하고 우리 삶을 더욱 풍요롭게 만드는 소중한 밑거름이 됩니다.

카오스재단카오스콘서트

[카오스 술술과학] 화학은 마동석이다?!

화학은 흔히 위험하고 난해한 학문으로 오해받곤 하지만, 본질적으로는 자연의 변화를 이해하고 예측하여 인류에게 도움을 주려는 지혜의 산물입니다. 이러한 변화를 지탱하는 핵심 원리는 열역학이며, 그 중심에는 에너지와 엔트로피라는 두 기둥이 존재합니다. 에너지는 일을 할 수 있는 능력을 의미하며, 모든 물질은 내부에 고유한 에너지를 품고 있습니다. 에너지는 마치 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르듯 변화를 일으키는 일차적인 동력이 됩니다. 우리가 일상에서 느끼는 활력이나 물질의 반응성 모두 이 에너지의 흐름과 밀접하게 연결되어 있습니다. 에너지가 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐른다고 해서 모든 반응이 즉각적으로 일어나는 것은 아닙니다. 물질이 변화하기 위해서는 '활성화 에너지'라는 장벽을 넘어야 하는데, 이는 세상이 순식간에 불바다가 되지 않도록 막아주는 안전장치 역할을 합니다. 한편, 반응의 결과로 생성된 물과 이산화탄소는 매우 안정한 상태에 해당합니다. 특히 이산화탄소의 안정성은 대기 중에 누적되어 온실효과를 일으키는 원인이 되기도 합니다. 자연이 순환하기 위해서는 이렇게 낮게 고인 에너지를 다시 끌어올리는 특별한 과정이 반드시 필요합니다. 식물은 광합성을 통해 태양 에너지를 이용해 물과 이산화탄소를 고에너지 상태인 포도당으로 변환하는 경이로운 마법을 부립니다. 이는 에너지적으로 쓸모없어진 물질을 다시 유용한 연료로 되돌리는 과정이며, 생명 활동의 근간이 되는 순환의 바퀴를 돌리는 동력이 됩니다. 인간은 이러한 자연의 메커니즘을 모방하여 태양광으로 물을 분해해 수소를 얻는 '인공 광합성' 기술을 연구하고 있습니다. 이는 화석 연료의 한계를 극복하고 청정에너지 시대를 열기 위한 현대 과학의 가장 중요한 도전 과제 중 하나로 손꼽힙니다. 에너지의 키워드가 '안정'이라면, 엔트로피의 키워드는 '자유'입니다. 엔트로피는 에너지 출입이 없어도 변화가 일어나는 방향성을 설명하며, 통계적으로는 입자들이 가질 수 있는 경우의 수, 즉 확률로 해석됩니다. 잉크가 물속으로 퍼져나가는 것처럼 무질서도가 증가하는 방향으로의 변화는 확률적으로 압도적이기 때문에 거스를 수 없는 자연의 법칙이 됩니다. 비록 미시적인 관점에서는 원래 상태로 돌아갈 확률이 존재할지라도, 우리 우주의 시간 척도 안에서는 사실상 불가능에 가까운 일이며 이것이 바로 시간의 화살을 결정짓습니다. 열역학의 법칙에 따르면 우주의 전체 엔트로피는 항상 증가하지만, 생명체는 외부 에너지를 섭취하여 국소적으로 질서를 만들어냅니다. 이때 실제로 유용하게 사용할 수 있는 에너지를 '깁스 자유 에너지'라고 부르며, 이는 문명을 발전시킨 원동력이 되었습니다. 철기 시대부터 산업 혁명에 이르기까지 인류는 에너지와 엔트로피의 원리를 활용해 새로운 물질을 창조해 왔습니다. 겉모습은 무서워 보일지 몰라도 알고 보면 정의롭고 따뜻한 영화 속 주인공처럼, 화학은 인류의 미래를 밝히는 든든하고 지혜로운 동반자라 할 수 있습니다.

카오스재단'도대체'시리즈

화학

[강연] 분자세계 게임의 법칙을 찾아서 _ by석차옥｜2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 9강 | 9강 ①

단백질은 생명 현상을 유지하는 핵심적인 분자로, 20가지 아미노산이 특정 순서로 연결되어 고유한 입체 구조를 형성합니다. 이 과정에서 물을 좋아하는 친수성 아미노산은 표면으로, 물을 싫어하는 소수성 아미노산은 안쪽으로 모이려는 성질이 작용합니다. 아미노산 서열에 담긴 정보가 복잡한 물리적 상호작용을 거쳐 하나의 안정한 구조로 접히는 현상을 단백질 폴딩이라 부르며, 이는 생명체의 기능을 결정하는 가장 기초적인 설계도와 같습니다. 이러한 구조적 안정성은 생명체가 환경에 적응하고 고유의 생리적 기능을 수행하는 데 필수적인 토대가 됩니다. 단백질의 구조를 이해하는 것은 생명 과학과 의학의 발전에 필수적입니다. 산소를 운반하는 마이오글로빈이나 에너지를 합성하는 단백질의 기작은 모두 그 형태에서 비롯됩니다. 특히 암 치료제인 글리벡이나 독감 치료제 타미플루처럼 특정 단백질의 기능을 조절하는 의약품 개발은 정밀한 구조 정보가 뒷받침되어야 가능합니다. 세포 밖의 신호를 내부로 전달하는 단백질군인 GPCR 연구가 수많은 노벨상을 배출한 이유도 바로 이러한 구조적 중요성 때문입니다. 구조를 아는 것은 곧 생명의 작동 원리를 파악하는 것과 같습니다. 전통적으로 단백질 구조는 X선 결정학이나 극저온 전자현미경과 같은 실험적 방법으로 밝혀왔습니다. 하지만 하나의 구조를 결정하는 데는 막대한 시간과 비용이 소요되며, 실험이 까다로운 경우도 많습니다. 반면 차세대 염기서열 해독 기술의 발달로 단백질의 아미노산 서열 정보는 기하급수적으로 늘어나고 있습니다. 이러한 실험적 구조 결정과 서열 정보 사이의 거대한 격차를 메우기 위해 컴퓨터를 이용한 단백질 구조 예측 기술이 현대 과학의 중요한 과제로 떠올랐습니다. 이는 실험의 한계를 극복하고 생명 정보의 활용도를 높이는 핵심 기술입니다. 단백질 구조 예측의 정확성을 겨루는 올림픽이라 불리는 CASP 대회는 2년마다 블라인드 테스트 방식으로 열립니다. 예측의 기본 원리는 열역학적으로 가장 안정한 상태를 찾는 것입니다. 아미노산 서열이 주어졌을 때 자유 에너지가 최소가 되는 지점을 찾아내는 과정은 바둑의 경우의 수보다 훨씬 복잡한 탐색을 요구합니다. 자연 법칙이라는 정답을 찾아가는 이 과정은 수많은 국소 최솟값들 사이에서 전역 최솟값을 발견해야 하는 고도의 계산 과학적 도전입니다. 정확한 에너지 함수를 정의하고 이를 효율적으로 탐색하는 것이 이 분야의 핵심적인 목표입니다. 최근 인공지능 기술의 도입은 단백질 구조 예측 분야에 혁명적인 변화를 가져왔습니다. 구글 딥마인드의 알파폴드는 방대한 서열 데이터에서 진화적으로 연관된 정보를 추출하고, 딥러닝을 통해 아미노산 사이의 거리를 정밀하게 예측하며 압도적인 성과를 거두었습니다. 이는 단순히 기존의 물리 법칙을 계산하는 것을 넘어, 데이터 속에 숨겨진 복잡한 패턴을 학습하여 정답에 접근하는 새로운 길을 제시한 것입니다. 인공지능은 이제 화학자가 자연의 비밀을 푸는 강력한 도구가 되었으며, 기존의 이론적 접근 방식과 결합하여 시너지를 내고 있습니다. 구조 예측을 넘어 새로운 기능을 가진 단백질을 직접 설계하는 연구도 활발히 진행 중입니다. 자연계에 존재하지 않는 서열을 조합하여 특정 구조를 유도함으로써 난치병 치료나 신소재 개발에 활용하려는 시도입니다. 또한 일반인들이 게임을 통해 단백질 구조를 찾는 '폴딧' 프로젝트처럼, 집단 지성과 컴퓨터 계산을 결합한 형태의 연구도 성과를 내고 있습니다. 이러한 노력은 단백질이 단순한 관찰의 대상이 아니라 인류가 목적에 맞게 설계하고 제어할 수 있는 영역임을 보여줍니다. 이는 생명 공학의 패러다임을 바꾸는 획기적인 변화의 시작입니다. 미래의 화학은 인공지능과 로봇 기술이 결합하여 실험과 계산이 유기적으로 연결되는 모습으로 진화할 것입니다. 인공지능이 반복적이고 방대한 계산 업무를 수행하면, 과학자는 더 창의적이고 근원적인 질문에 집중할 수 있는 환경이 조성됩니다. 화학은 이제 물리, 생물, 컴퓨터 공학 등 다양한 학문이 융합되는 중심지 역할을 하며 인류의 난제를 해결하는 데 기여할 것입니다. 다양한 분야의 지식을 멋지게 융합할 때 비로소 우리는 자연의 미스터리를 풀고 새로운 가치를 창출할 수 있습니다. 융합적 사고는 미래 과학을 이끄는 가장 강력한 힘이 될 것입니다.

석차옥, 이주용

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화학

[강연] 분자운동과 화학반응, 그 역동의 세계 _ by윤완수｜ 2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 5강 | 5강 ①

우리가 일상에서 사용하는 지폐는 셀룰로스라는 물질로 이루어져 있습니다. 지폐에 불을 붙여도 타지 않게 만드는 비결은 아이소프로판올과 물을 섞은 용액에 있습니다. 불을 붙이면 알코올 성분인 아이소프로판올이 먼저 연소하며 열을 내지만, 지폐에 흡수된 물은 증발하면서 온도를 낮추고 지폐를 보호하는 역할을 합니다. 반면 셀룰로스에 질산과 황산을 반응시켜 만든 니트로셀룰로스는 산소를 많이 포함하고 있어 재도 남기지 않고 순식간에 타버리는 상반된 결과를 보여줍니다. 화학 반응은 본질적으로 '원자의 재배열'이라고 정의할 수 있습니다. 반응물 속의 원자들이 서로의 결합을 끊고 새로운 조합으로 다시 태어나는 과정입니다. 이때 중요한 개념이 바로 에너지입니다. 모든 분자는 고유의 위치 에너지를 가지고 있으며, 반응이 일어나기 위해서는 마치 높은 산을 넘듯 일정한 에너지 장벽을 통과해야 합니다. 이를 '활성화 에너지'라고 부르며, 이 문턱을 넘을 수 있는 충분한 에너지를 가진 분자들만이 새로운 생성물로 변화하는 기회를 얻게 됩니다. 분자들은 우리가 상상하는 것보다 훨씬 역동적으로 움직입니다. 상온의 산소 분자는 초속 약 500m라는 엄청난 속도로 날아다니는데, 이는 제트기의 속도보다도 빠릅니다. 하지만 모든 분자가 동일한 속도로 움직이는 것은 아닙니다. '맥스웰-볼츠만 분포'에 따르면, 분자들은 아주 느린 것부터 매우 빠른 것까지 다양한 에너지 상태를 가집니다. 이렇게 다양한 상태의 분자들이 모여 있는 집단을 '앙상블'이라 부르며, 이 중 극히 일부의 에너지가 높은 분자들이 사고를 치듯 반응을 주도합니다. 화학 반응의 속도를 조절하는 것은 화학자들에게 매우 중요한 과제입니다. 온도를 높이면 분자들의 운동이 활발해져 충돌 빈도가 높아지고 반응 속도가 빨라집니다. 또한 '촉매'를 사용하면 반응이 넘어야 할 에너지 산의 높이를 낮추어 도로를 닦아주는 것과 같은 효과를 냅니다. 우리 몸속의 효소 역시 이러한 촉매 역할을 수행하며, 평소라면 수천 년이 걸릴 소화 과정을 단 몇 초 만에 끝낼 수 있도록 돕습니다. 이는 생명 유지에 필수적인 화학적 조절 장치입니다. 매우 빠르게 일어나는 화학 반응을 관찰하기 위해서는 특별한 기술이 필요합니다. 과거 에드워드 마이브리지가 달리는 말의 다리가 공중에 뜨는 순간을 사진으로 포착했듯이, 현대 과학은 레이저를 이용해 찰나의 순간을 기록합니다. 1조 분의 1초인 피코초나 그보다 더 짧은 펨토초 단위의 레이저 펄스를 플래시처럼 사용하면, 분자가 진동하거나 결합이 끊어지는 역동적인 과정을 정지 화면처럼 잡아낼 수 있습니다. 이를 통해 우리는 분자들의 '화양연화'와 같은 순간을 영화처럼 관찰하게 됩니다. 최근의 물리화학 연구는 수많은 분자의 평균적인 거동을 보는 것을 넘어, 단 하나의 분자가 어떻게 행동하는지를 관찰하는 단계에 이르렀습니다. 앙상블 수준의 관찰이 오케스트라의 합주를 듣는 것이라면, 단일 분자 관찰은 특정 연주자의 독주를 감상하는 것과 같습니다. 이를 통해 우리는 무질서해 보이는 분자 운동 속에서도 정교한 규칙과 조화를 발견할 수 있습니다. 이러한 미시 세계의 탐구는 나노 기술과 생명 과학의 발전으로 이어지며 인류의 지식 지평을 넓히고 있습니다. 화학 반응의 세계를 들여다보는 것은 결국 우리 삶의 본질을 이해하는 과정과 닮아 있습니다. 처음과 끝이라는 결과도 중요하지만, 에너지를 얻어 장벽을 넘고 새로운 존재로 거듭나는 그 중간 과정에 진정한 묘미가 숨어 있기 때문입니다. 다양한 에너지 상태를 가진 분자들이 조화를 이루어 앙상블을 만들어내듯, 우리 인생 역시 수많은 찰나의 과정들이 모여 하나의 아름다운 이야기를 완성합니다. 화학은 단순한 물질의 변화를 넘어, 역동적으로 살아 움직이는 세계의 질서를 우리에게 보여줍니다.

윤완수, 이남기

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화학

[강연] 화학반응의 바늘과 실: 전자와 양성자 _ by정택동｜ 2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 4강 | 4강 ①

화학은 물질의 변환을 다루는 학문입니다. 제2차 세계 대전 당시 나치의 눈을 피해 금으로 된 노벨상 메달을 왕수에 녹여 보관했다가 전쟁 후 다시 금으로 되돌린 일화는 화학의 본질을 잘 보여줍니다. 겉모습이 완전히 변해도 원소 자체는 사라지지 않으며, 적절한 반응을 통해 원래의 상태로 복원할 수 있다는 믿음은 화학적 원리에 기반합니다. 금속에서 전자를 빼내어 이온화하고, 다시 전자를 넣어 금속으로 환원시키는 과정은 물질의 근본적인 변화를 제어하는 화학의 핵심적인 과정이라 할 수 있습니다. 화학 반응의 중심에는 전자와 양성자가 있습니다. 전자를 잃는 산화와 전자를 얻는 환원은 항상 쌍을 이루어 일어나며, 이는 우리 주변에서 일어나는 수많은 물질 변화를 설명하는 기본 원리가 됩니다. 이 작은 입자들은 서로 긴밀하게 상호작용하며 물질의 전기적 중성을 유지하고 복잡한 구조적 변화를 이끌어냅니다. 인류가 전자의 존재를 명확히 이해하게 된 것은 비교적 최근의 일이지만, 이들의 움직임은 우주와 생명의 모든 화학적 변환을 주도하는 가장 강력한 동력이자 보이지 않는 세계의 질서를 구축하는 근간입니다. 양성자의 활동은 주로 산과 염기의 작용으로 나타납니다. 물 분자 사이에서 양성자가 이동하며 산성도를 결정하고, 이는 생명 현상뿐만 아니라 지구 전체의 환경 시스템에도 지대한 영향을 미칩니다. 특히 대기 중 이산화탄소가 물에 녹아 평형을 이루는 과정은 양성자의 농도에 따라 결정되는데, 최근 급격한 이산화탄소 증가는 바다의 산성화를 초래하여 생태계를 위협하고 있습니다. 이처럼 미세한 양성자의 움직임은 산호초의 생존부터 지구 전체의 기후 변화에 이르기까지 거대한 자연의 순환 체계를 지탱하는 중요한 축으로 작동합니다. 광합성은 태양의 빛 에너지를 화학 에너지로 변환하는 경이로운 과정입니다. 식물의 엽록소가 빛을 흡수하여 들뜬 전자를 전달하면, 물이 산화되어 산소가 발생하고 이 과정에서 생명 활동에 필요한 에너지가 축적됩니다. 전자가 전자 전달계를 따라 이동할 때 양성자가 함께 펌핑되며 생명체의 에너지 화폐인 ATP가 생성됩니다. 식물은 이 에너지를 이용해 공기 중의 이산화탄소를 고정하여 유기물을 합성합니다. 이는 지구상의 모든 생명체가 살아갈 수 있는 연료를 생산하는 거대한 천연 화학 공장과 같은 역할을 수행합니다. 생명체의 호흡은 광합성의 역과정으로, 섭취한 영양소를 산화시켜 생존에 필요한 에너지를 얻는 과정입니다. 우리가 들이마신 산소는 전자를 받아 환원되고, 그 결과 이산화탄소가 배출되며 생태계의 탄소 순환이 완성됩니다. 광합성이 에너지를 저장하는 환원의 여정이라면, 호흡은 그 에너지를 인출하여 사용하는 산화의 여정이라 할 수 있습니다. 전자와 양성자의 끊임없는 순환은 태양 에너지를 생명의 동력으로 바꾸어 전달하며, 지구상의 모든 생명 현상을 유지하고 대를 이어가게 하는 근본적인 메커니즘으로 작동하고 있습니다. 현대 전기화학은 전자의 흐름을 정교하게 제어함으로써 인류의 삶을 혁신적으로 변화시키고 있습니다. 리튬 이온 배터리는 전기 에너지를 화학 에너지로 저장하여 모바일 시대를 열었으며, 혈당 센서는 생체 내의 화학 반응을 전기 신호로 바꾸어 질병 관리를 돕습니다. 더 나아가 뇌의 신경 신호를 컴퓨터와 연결하는 뇌-컴퓨터 인터페이스 연구는 전기화학의 새로운 지평을 열고 있습니다. 전자기적인 세계와 생화학적인 세계의 경계에서 일어나는 입자들의 상호작용을 이해하는 것은 인류의 미래 기술을 설계하는 데 있어 가장 핵심적인 토대가 됩니다. 지속 가능한 미래를 위한 핵심 기술인 연료전지는 수소와 산소의 반응을 통해 깨끗한 전기 에너지를 생산합니다. 하지만 산소 환원 반응의 효율을 높이기 위해 여전히 고가의 백금 촉매에 의존해야 하는 한계가 존재합니다. 과학자들은 생체 효소의 정교한 구조에서 영감을 얻어 백금을 대체할 수 있는 새로운 촉매를 찾기 위해 끊임없이 도전하고 있습니다. 뜨겁지 않은 연소를 통해 에너지를 직접 얻으려는 인류의 열망은 전자와 양성자의 조화를 완벽히 이해하고 제어하려는 노력을 통해 수소 경제라는 새로운 시대를 향해 나아가고 있습니다.

정택동, 황성필

카오스재단카오스강연

화학

'과학의 실패' 특별전 다큐멘터리 '소문의 진상'

최근 과학 전시나 콘텐츠가 단편적인 지식 전달에만 치중하고 있다는 문제의식에서 '과학의 실패' 특별전이 시작되었습니다. 단순히 과학적 사실을 나열하는 것이 아니라, 과학이 어떤 흐름으로 발전해 왔는지 그 거대한 맥락을 짚어보고자 한 것입니다. 특히 성공한 결과물 뒤에 가려진 실패의 역사를 조명함으로써 과학의 진정한 가치를 전달하고자 했습니다. 이는 관람객들에게 과학을 바라보는 새로운 시각을 제공하는 계기가 될 것입니다. 전시 기획을 실제 현장에서 구현하는 과정은 결코 쉽지 않습니다. 텍스트와 사진 위주의 평면적인 구성을 넘어, 화성의 역행 운동과 같은 과학적 사실을 입체적인 구조물로 시각화하는 데 많은 공을 들였습니다. 기획자의 의도가 제작자에게 온전히 전달되도록 끊임없이 소통하고 경청하는 과정이 필수적입니다. 기술적인 화려함보다는 우리가 전달하고자 하는 진정성을 전시품에 담아내는 것이 무엇보다 중요하기 때문입니다. 2018년 광화문에서 열린 '실패 박람회'의 일환으로 진행된 전시는 기획자에게 큰 도전이었습니다. 짧은 준비 기간과 방대한 전시 물량, 그리고 궂은 날씨 속에서도 밤을 지새우며 패널 하나하나를 직접 제작했습니다. 다른 부스들과 차별화된 깊이 있는 전시를 선보이기 위해 쏟은 노력은 결국 관람객들의 긍정적인 반응으로 이어졌습니다. 현장에서의 치열한 고민과 수치 체크를 통해 완성된 공간은 과거의 역사 속으로 들어가는 듯한 신비로움을 선사했습니다. 전시는 단순히 보는 것에 그치지 않고 교육 프로그램과 연계될 때 그 의미가 확장됩니다. '과학관에 불이 켜지면'이라는 행사를 통해 바리스타나 조향사 같은 전문가들을 초청하여 일상 속 과학 이야기를 나누었습니다. 인스턴트 커피를 만든 과학자의 사례처럼, 전문 분야의 지식이 실생활에 어떻게 접목되는지 대중이 쉽게 이해할 수 있도록 구성했습니다. 이를 통해 과학이 특정 전문가들만의 전유물이 아니라 우리 삶 곳곳에 스며들어 있음을 알리고자 했습니다. 천동설에서 지동설로, 연금술에서 현대 화학으로 넘어가는 패러다임의 변화는 수많은 편견과 싸워온 과정입니다. 이번 전시는 과거에 진리라고 믿었던 이론들이 새로운 관점을 통해 어떻게 변화했는지 보여줍니다. 과학관을 찾는 이들이 단순히 지식을 얻는 것을 넘어, 자신의 삶 속에서 마주하는 고민들을 새로운 시각으로 바라볼 수 있기를 바랍니다. 성공이라는 결과만큼이나 그 과정에 있었던 소중한 실패들을 긍정하며 작별 인사를 나누는 시간이 되길 기대합니다.

국립과천과학관👉기획·특별전

물리학
화학
천문학
융합

[강연] 분자사용설명서 (1) _ 김지환 교수 | 2017 겨울 카오스 마스터 클래스 2017 겨울 카오스 마스터클래스 '화학' | 1강

화학은 우리 일상 어디에나 존재하지만, 대중에게는 종종 위험하거나 난해한 학문으로 인식되곤 합니다. 많은 이들이 화학을 단순히 주기율표를 외우거나 실험실에서 물질을 섞는 요리와 같은 과정으로 생각하지만, 실제 화학자가 바라보는 세계는 훨씬 더 광범위하고 정교합니다. 화학은 단순히 유해물질을 다루는 학문이 아니라, 지구상의 모든 물질이 어떻게 구성되고 변하는지를 탐구하는 기초과학의 핵심입니다. 이러한 오해를 넘어 화학의 진정한 가치를 이해하는 것이 현대과학을 바라보는 첫걸음이 될 것입니다. 화학이 중요한 이유는 그것이 막대한 경제적 가치를 창출하는 첨단산업의 근간이기 때문입니다. 물리학이 하나의 방정식으로 세상을 정의하려 노력한다면, 화학은 수많은 분자가 얽힌 복잡한 시스템을 이해하기 위해 수만 개의 방정식을 동시에 풀어내는 과정을 거칩니다. 분자의 크기가 커질수록 물리 법칙만으로는 설명하기 어려운 영역이 나타나며, 화학자들은 이를 통해 새로운 물질의 특성을 규명합니다. 이는 기초과학으로서의 역할뿐만 아니라 인류의 삶을 풍요롭게 만드는 실용적인 해결책을 제시하는 과정이기도 합니다. 현대 화학 연구의 핵심은 '3M 원칙'이라 불리는 세 가지 원칙, 즉 합성(Make), 측정(Measure), 모델링(Model)으로 요약할 수 있습니다. 과거의 화학이 단순히 새로운 물질을 만들어내는 요리에 가까웠다면, 오늘날에는 만들어진 물질의 특성을 정밀하게 분석하고, 실험이 불가능한 영역은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 이론적으로 예측합니다. 이러한 체계적인 접근 방식을 통해 화학자들은 보이지 않는 미시세계의 법칙을 현실의 기술로 구현해냅니다. 이는 단순한 실험을 넘어 논리적 추론과 첨단기술이 결합된 고도의 지적 활동입니다. 화학 연구의 대부분은 분자의 구조와 그에 따른 반응성을 탐구하는 데 집중되어 있습니다. 분자는 그 구조가 어떻게 생겼느냐에 따라 성질과 활동 방식이 결정되는데, 이를 '분자공학'의 관점에서 설계하고 조절하는 것이 핵심입니다. 예를 들어 신약개발 과정에서는 수만 개의 후보 물질 중 최적의 구조를 찾아내기 위해 15년 이상의 긴 시간을 투자하기도 합니다. 또한 디스플레이나 배터리 분야에서도 원하는 색상이나 효율을 얻기 위해 분자 구조를 미세하게 조정하며, 이러한 노력은 우리 삶을 바꾸는 혁신적인 제품들로 이어집니다. 분자가 형성되는 과정을 이해하기 위해서는 두 가지 핵심적인 물리 법칙인 쿨롱 법칙과 에너지 안정성 원리를 알아야 합니다. 양전하와 음전하가 서로 끌어당기는 힘은 원자와 분자를 결합시키는 근본적인 동력이 되며, 모든 물질은 에너지가 높은 불안정한 상태에서 에너지가 낮은 안정한 상태로 변하려는 성질을 가집니다. 화학자들은 이러한 자연의 섭리를 바탕으로 물질의 자발적인 변화를 예측하고 제어합니다. 복잡해 보이는 화학 반응의 이면에는 이처럼 단순하고 명쾌한 물리적 원리가 굳건히 자리 잡고 있는 것입니다. 원자의 내부를 들여다보면 양성자와 중성자로 이루어진 핵, 그리고 그 주위를 도는 전자가 존재합니다. 과거에는 전자가 행성처럼 일정한 궤도를 따라 움직인다고 생각했지만, 현대물리학과 현대화학은 이를 '전자 구름'인 오비탈로 설명합니다. 아주 작은 미시세계의 입자들은 고전역학의 지배를 받는 것이 아니라 양자역학의 지배를 받기 때문에, 전자의 위치를 정확히 알 수 없고 오직 확률적으로만 예측할 수 있습니다. 이러한 양자역학적 이해는 화학이 단순한 물질의 조합을 넘어 우주의 근본 원리를 탐구하는 학문임을 보여줍니다. 오늘날의 화학은 벤젠 고리와 같은 단순한 분자 구조를 넘어 그래핀, 리튬 배터리, 생체 분자 등 거대하고 복잡한 영역으로 확장되고 있습니다. 에너지 문제 해결부터 난치병 치료를 위한 신약설계에 이르기까지, 화학자의 시선은 인류가 직면한 거대 담론들을 향해 있습니다. 식물을 키우며 생명 현상을 연구하거나 새로운 에너지저장장치를 개발하는 등 화학의 경계는 이미 다른 학문들과 밀접하게 융합되어 있습니다. 결국 화학은 세상을 구성하는 가장 작은 단위에서 시작해 가장 큰 변화를 이끌어내는 학문이라 할 수 있습니다.

김지환

카오스재단마스터클래스

화학

[강연] 에너지와 엔트로피: 세상은 무엇으로 굴러갈까? _ by김성근｜ 2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 1강 | 1강 ①

화학은 우리 주변에서 일어나는 모든 변화를 다루는 아주 중요한 학문입니다. 많은 이들이 화학을 어렵고 복잡하게 느끼지만, 사실 그 이면에는 오묘하고 흥미로운 미스터리가 가득 숨겨져 있습니다. 물질의 구조가 기능을 결정하고, 그 구조를 인위적으로 설계하여 만들어내는 과정은 마치 건축가가 정교한 집을 짓는 것과 같습니다. 이러한 변화를 이해하는 것은 세상을 구성하는 근본적인 원리를 깨닫고 우리 삶을 풍요롭게 만드는 첫걸음이 됩니다. 모든 화학적 변화를 일으키는 근본적인 동력은 바로 에너지입니다. 에너지는 물질의 상태를 바꾸고 물리적, 화학적 변화를 유도하는 핵심 요소입니다. 특히 화학 결합 내부에 잠재적으로 저장된 에너지를 엔탈피라고 부르는데, 이는 자극을 주면 언제든 밖으로 뿜어져 나올 준비가 된 에너지입니다. 대부분의 반응은 에너지 장벽을 넘어야 일어나며, 이 과정을 통해 에너지는 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르며 안정한 상태를 찾아갑니다. 화학의 진정한 가치는 단순히 자연을 관찰하는 데 그치지 않고 새로운 물질을 만들어내는 합성에 있습니다. 예를 들어 강력한 항암제인 택솔은 원래 희귀한 나무에서 추출했으나, 화학자들의 노력을 통해 인공적으로 합성할 수 있게 되었습니다. 이는 자연을 훼손하지 않으면서도 인류에게 필요한 솔루션을 제공하는 화학의 힘을 보여줍니다. 유기화학자는 복잡한 분자를 설계하고 조립하는 분자 건축가로서 세상에 없던 새로운 가치를 창조합니다. 우리가 일상에서 접하는 물질들은 상상할 수 없을 만큼 무수히 많은 분자로 이루어져 있습니다. 눈물 한 방울에 담긴 물 분자의 개수는 약 10의 21승 개에 달하며, 이를 전 인류가 밤낮없이 센다고 해도 수만 년이 걸릴 정도입니다. 이처럼 거대한 숫자의 입자를 다루기 때문에 화학은 개별 원자의 움직임을 넘어 통계적인 관점에서 접근해야 합니다. 이러한 인식의 격차를 이해할 때 비로소 거시적인 화학 현상의 본질에 다가갈 수 있습니다. 자연계의 변화에는 일정한 방향성이 존재하는데, 이를 설명하는 개념이 바로 엔트로피입니다. 향수 냄새가 방 안으로 퍼지거나 잉크가 물속에서 확산하는 현상은 에너지가 보존됨에도 불구하고 결코 스스로 되돌아오지 않습니다. 이는 자연이 어떤 의지를 가진 것이 아니라 순전히 확률의 게임이기 때문입니다. 무질서도가 증가하는 방향, 즉 경우의 수가 가장 많은 상태로 나아가는 것이 우주의 자연스러운 흐름이며 이를 열역학 제2법칙이라 합니다. 루트비히 볼츠만은 엔트로피를 통계적으로 정의하며 비가역성의 원리를 규명했습니다. 입자의 개수가 무수히 많아지면 특정 상태로 다시 돌아올 확률은 수학적으로는 존재할지 몰라도 현실적으로는 0에 수렴하게 됩니다. 공기 입자들이 우연히 방 한구석으로 몰려 우리가 숨을 쉬지 못하게 될 확률이 없는 이유도 바로 여기에 있습니다. 이러한 통계적 필연성은 시간이 한 방향으로만 흐르는 '시간의 화살'을 만들어내며 거시 세계의 질서를 유지합니다. 생명체는 엔트로피가 증가하는 우주의 흐름 속에서 질서를 유지하는 독특한 존재입니다. 우리는 외부로부터 에너지를 섭취하고 대사 과정을 거침으로써 내부의 무질서도를 낮추고 정교한 구조를 유지합니다. 이는 열역학 법칙에 위배되는 것이 아니라, 우주 전체의 엔트로피를 증가시키는 대가로 국소적인 질서를 창조하는 과정입니다. 결국 에너지와 엔트로피를 이해하는 것은 생명의 탄생과 우주의 운명을 관통하는 거대한 미스터리를 푸는 열쇠가 됩니다.

김성근, 성재영

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화학

[석학인터뷰] 김유수_ 분자의 기원, 정말 미스터리하지 않나요? | 2018 가을 카오스강연 '화학의 미스터리, CheMystery'

표면 화학은 물질의 경계면에서 일어나는 독특한 현상을 탐구하는 매력적인 분야입니다. 분자가 특정 표면에 흡착될 때 발생하는 물리적, 화학적 변화는 물질의 성질을 근본적으로 이해하는 데 중요한 열쇠가 됩니다. 특히 기존의 용액이나 기체 상태에서는 관찰할 수 없었던 새로운 반응 경로를 발견할 수 있다는 점에서 현대 과학의 핵심적인 위치를 차지하고 있습니다. 이러한 미세한 상호작용을 분석하는 과정은 물질 세계의 비밀을 풀어나가는 흥미로운 여정입니다. 연구자로서의 길은 끊임없는 자기 증명과 학문적 호기심의 연속입니다. 낯선 환경에서 연구를 수행하며 겪는 현실적인 어려움은 오히려 학자로서의 정체성을 견고하게 다지는 계기가 됩니다. 또한, 분자가 어떻게 탄생하고 진화하여 생명체로 이어졌는지에 대한 근원적인 질문은 과학자가 평생을 바쳐 탐구할 가치가 있는 거대한 미스터리입니다. 이러한 본질적인 탐구 정신은 직업적인 고뇌를 넘어 연구를 지속하게 하는 가장 강력한 동력이 됩니다. 학문의 길에서 개인의 성취보다 중요한 것은 지속 가능한 연구 환경을 구축하는 일입니다. 연구자로서 쌓아온 전문 지식과 지혜는 후배 과학자들이 시행착오를 줄이고 성장할 수 있는 밑거름이 되어야 합니다. 직접적인 탐구 활동을 넘어 다음 세대를 육성하고 그들이 역량을 마음껏 펼칠 수 있는 토대를 마련해 주는 헌신적인 자세야말로, 과학자로서의 생애를 가치 있게 마무리하는 가장 고귀한 태도라고 할 수 있습니다.

김유수

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화학

[석학인터뷰] 하윤경_ CheMystery? 사람 간 인연이 제일 미스터리해요 | 2018 가을 카오스강연 '화학의 미스터리, CheMystery'

화학자의 길은 부모님의 영향으로 시작된 운명 같은 여정이었지만, 그 과정이 결코 순탄치만은 않았습니다. 특히 낯선 타국에서의 유학 생활은 언어의 장벽과 연구 성과에 대한 압박, 그리고 깊은 외로움이 교차하는 인내의 시간이었습니다. 하지만 이러한 고난 속에서도 학부 시절을 긍정적으로 회상하는 이유는 그 시기가 성장의 밑거름이 되었기 때문입니다. 스스로의 한계를 시험하고 지적 호기심을 채워가는 과정은, 단순한 지식 습득을 넘어 미래의 연구자로서 자아를 형성하는 소중한 경험이 됩니다. 현재 상용화된 OLED 디스플레이 기술의 핵심은 빛을 내는 원리에 숨어 있습니다. 빛이 발생하는 방식은 크게 형광과 인광으로 나뉘는데, 기존의 형광 방식은 발광 효율이 25%를 넘지 못한다는 한계가 있었습니다. 반면 인광 방식은 전기나 빛 에너지를 받아 이를 발광으로 전환하는 효율을 최대 100%까지 끌어올릴 수 있는 잠재력을 지니고 있습니다. 이러한 고효율의 빛을 구현하기 위해 새로운 유기 재료를 합성하고 최적의 물질을 찾아내는 연구는 현대 디스플레이 기술의 진보를 이끄는 중요한 동력이 됩니다. 화학이라는 학문은 물질과 물질 사이의 상호작용을 다루지만, 이는 우리 삶의 가장 큰 신비인 인간관계와도 맞닿아 있습니다. 영어 표현 중 '우리 사이에 케미가 없다'는 말처럼, 사람과 사람 사이의 인연과 연분 또한 일종의 화학 반응과 같습니다. 물질의 결합을 연구하는 화학자에게도 사람 사이의 관계를 정립해 나가는 과정은 여전히 풀기 어려운 미스터리이자 도전적인 과제입니다. 결국 화학은 실험실 안의 분자들뿐만 아니라, 우리 삶을 구성하는 수많은 인연의 고리를 이해하려는 노력의 연장선상에 있다고 볼 수 있습니다.

하윤경

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화학

[카오스 술술과학] 분자는 얼마나 작을까?

분자는 물질의 고유한 특성을 유지하는 가장 작은 단위입니다. 예를 들어 물 분자인 H2O를 더 쪼개면 수소와 산소가 되어 물의 성질을 잃게 됩니다. 분자의 세계는 매우 다양하여, 수소처럼 아주 작은 것부터 헤모글로빈처럼 원자가 만 개나 포함된 거대한 고분자까지 존재합니다. 특히 고분자는 단백질이나 DNA 같은 생체 분자뿐만 아니라 인간이 발명한 나일론, 플라스틱, 합성 고무 등 우리 주변의 수많은 물질을 구성하며 현대 문명의 기초가 되고 있습니다. 일반적인 분자는 10의 -9승 미터 단위인 나노 세계에 속해 있어 육안으로는 도저히 가늠할 수 없을 만큼 작습니다. 가장 흔한 물 분자의 크기는 약 4 옹스트롬에 불과한데, 이는 우리가 일상에서 접하는 그 어떤 물체보다도 미세한 수준입니다. 이처럼 극도로 작은 입자들이 모여 거대한 물질을 이룬다는 사실은 경이롭기까지 합니다. 분자의 크기를 실감하기 위해서는 단순히 수치를 나열하는 것보다 우리가 익히 알고 있는 거시적인 대상들과 비교해 보는 과정이 반드시 필요합니다. 물 한 컵에 담긴 분자의 수를 상상해 보면 그 미세함을 실감할 수 있습니다. 물 분자를 3억 배 확대하면 테니스공 크기가 되는데, 같은 비율로 테니스공을 확대하면 지구 크기가 됩니다. 즉, 테니스공 표면에 놓인 물 분자 하나는 지구 표면에 놓인 테니스공 하나와 같은 비중인 셈입니다. 또한 70억 인구가 매초 5개씩 분자를 센다 해도 물 한 컵 분량을 다 세는 데 1억 년이 걸릴 정도입니다. 이처럼 보이지 않는 작은 단위들이 모여 우리 삶의 모든 화학적 현상을 만들어냅니다.

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화학

[카오스 술술과학] 화학의 명예회복?

현대 사회에서 '화학'이라는 단어는 어느덧 부정적인 의미를 내포하게 되었습니다. 가습기 살균제나 라돈 침대와 같은 사건들을 겪으며 대중은 화학 물질을 유해함의 상징으로 여기기 시작했기 때문입니다. 하지만 과거의 화학은 인류에게 기적을 선사하는 '미다스의 손'과 같았습니다. 프리츠 하버가 공기 중의 질소를 고정해 비료를 만들지 않았다면 인류는 심각한 식량 부족에 시달렸을 것이며, 나일론의 발명은 의복 혁명을 불러일으켰습니다. 한때는 미래의 희망이자 문명의 상징이었던 플라스틱 역시 이제는 환경 오염의 주범으로 몰리며 찬밥 신세를 면치 못하고 있는 실정입니다. 우리는 흔히 '화학 성분이 없는 제품'이라는 광고 문구에 현혹되곤 하지만, 사실 이는 과학적으로 성립할 수 없는 말입니다. 모든 만물은 원소와 분자의 결합으로 이루어져 있기에 우리 주변의 모든 물질은 본질적으로 화학적 토대를 가집니다. 유해한 몇몇 사례 때문에 화학 전체를 부정적으로 바라보는 것은 억울한 일입니다. '화학 첨가물'이라는 표현보다는 '인공 첨가물'이라는 용어가 더 적절하며, 유해한 화학 물질이 아니라 단순히 '유해한 물질'로 구분하여 부르는 것이 타당합니다. 인공적으로 합성되었다는 이유만으로 자연의 것보다 위험하다고 단정 짓는 편견에서 벗어나야 합니다. 만약 우리 삶에서 화학의 결실들이 통째로 사라진다면 어떤 일이 벌어질까요? 당장 주변의 가전제품과 스마트폰은 형체도 없이 사라질 것이며, 우리가 거주하는 건물조차 유지될 수 없습니다. 천연 나무조차 가공 과정을 거쳐야 가구와 종이가 될 수 있고, 옷감과 신발, 가방 역시 대부분 합성 기술의 산물입니다. 염료가 사라진 도시는 무채색의 삭막한 공간으로 변할 것이며, 식량의 보존과 유통조차 불가능해져 인류 문명은 순식간에 붕괴하고 말 것입니다. 결국 화학은 단순히 학문의 한 분야를 넘어 인류 문명을 지탱하는 근간이자 우리 삶 그 자체라고 할 수 있습니다.

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화학

[카오스 술술과학] 과학의 중간계, 다양성의 제왕!

우리가 마주하는 세상은 정교한 레고 작품보다 훨씬 복잡하고 아름다운 구조를 지니고 있습니다. 레고가 부품에서 곧장 완성품이 되는 것과 달리, 우리 세계는 세 단계의 정교한 과정을 거쳐 형성됩니다. 가장 먼저 기본 입자들이 모여 원자를 구성하고, 이 원자들이 다시 결합하여 분자를 만들며, 최종적으로 우리가 보는 만물이 탄생합니다. 이때 기본 입자의 설계도라 할 수 있는 표준 모형의 17종 기본 입자와 118종의 원소를 정리한 주기율표는 우주를 이해하는 핵심적인 열쇠가 됩니다. 화학은 바로 이러한 원소들이 결합하여 만들어내는 무한한 분자의 세계를 다루는 학문이라 할 수 있습니다. 사물의 크기를 기준으로 세계를 탐험해 보면 놀라운 미시 세계가 펼쳐집니다. 인간이 맨눈으로 볼 수 있는 한계인 0.1mm 수준에는 머리카락 굵기나 유글레나 같은 세포 생물이 존재합니다. 현미경의 도움을 받아 더 깊이 들어가면 미세먼지와 세균이 활동하는 영역을 지나, 바이러스가 나타나는 나노미터 단위에 도달하게 됩니다. 여기서 더 작아지면 본격적인 분자와 원자의 세상이 시작되는데, 원자의 크기인 10⁻¹⁰m는 인간이 시각적으로 인지할 수 있는 최후의 보루와 같습니다. 그 너머에는 크기를 가늠하기 힘든 양성자와 점과 같은 전자, 쿼크의 영역이 자리 잡고 있습니다. 학문의 체계에서 화학은 단순함을 탐구하는 물리학과 복잡성을 다루는 생물학 사이의 가교 역할을 수행합니다. 매우 단순한 기본 입자로부터 어떻게 이토록 복잡한 생명 현상이 출현했는지는 인류 최대의 수수께끼 중 하나이며, 화학은 그 변화가 시작되는 핵심 지점에 위치합니다. 흥미롭다는 뜻의 영어 단어 '인터레스트(Interest)'가 '사이에 존재한다'는 라틴어 어원에서 유래했듯, 물질계와 생명계를 이어주는 화학의 위치는 그 자체로 매우 매력적입니다. 단순한 물리 법칙이 생명의 경이로움으로 변모하는 그 경계에서 화학은 우주의 신비를 푸는 중요한 단서를 제공하며 우리를 더 깊은 탐구의 세계로 안내합니다.

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물리학
융합

[석학인터뷰] 이동환_ 궁극적인 이해는 창작이기에 나는 분자를 만든다 | 2018 가을 카오스강연 '화학의 미스터리, CheMystery'

과학자의 길은 끊임없는 시행착오의 연속이지만, 그 과정에서 마주하는 작은 해결의 순간들은 연구를 지속하게 하는 강력한 원동력이 됩니다. 실험이 뜻대로 되지 않는 날이 더 많음에도 불구하고, 문제를 하나씩 풀어갈 때 느끼는 순수한 재미는 무엇과도 바꿀 수 없는 가치를 지닙니다. 이러한 탐구 정신은 일상 속 취미에서도 고스란히 드러납니다. 종이 위에 만년필로 생각을 정리하며 느끼는 편안함이나, 스마트폰 카메라 렌즈를 통해 일상의 특별한 찰나를 포착하는 즐거움은 세상을 바라보는 과학자만의 섬세한 시선을 완성해 줍니다. 화학자에게 분자 합성은 단순히 물질을 만드는 것을 넘어, 자연의 섭리를 깊이 있게 이해하려는 시도와 같습니다. 미세한 화학 결합의 변화를 거대한 구조적 변화로 증폭시키거나, 화학적 신호를 빛이나 전자 스핀 같은 물리적 신호로 변환하는 과정은 세상의 규칙을 확인하는 작업입니다. 복잡한 자연계의 현상을 단순화하여 설명하려는 화학자들의 노력은 놀라운 성공을 거두어왔습니다. 이러한 경험적이고 직관적인 접근 방식이 어떻게 이토록 정교하게 작동할 수 있었는지는 화학 분야가 지닌 흥미로운 미스터리 중 하나입니다. 인생 또한 하나의 물질이 다른 물질로 변하는 화학 반응과 닮아 있습니다. 소심하고 내성적이었던 개인이 수많은 학생 앞에서 강연하는 사람으로 변화한 과정은 그 자체로 경이로운 화학적 변화라 할 수 있습니다. 이제는 자신이 걸어온 길과 전문 지식을 바탕으로, 마치 미술관의 도슨트처럼 대중에게 분자 세계를 친절하게 안내하고자 합니다. 낯설고 어렵게만 느껴지는 화학 분자들을 어떤 관점에서 바라보아야 더 흥미로운지 제시함으로써, 많은 이들이 새로운 시각으로 세상을 바라볼 수 있도록 돕는 것이 이번 강연의 핵심적인 목표입니다.

이동환

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화학

[석학인터뷰] 석차옥_ 계산화학의 확실한 정보로 미래의학을 앞당긴다 | 2018 가을 카오스강연 '화학의 미스터리, CheMystery'

현대 과학 연구에서 학문 간의 경계는 점차 희미해지고 있습니다. 물리학으로 시작해 화학과 계산 생물학을 아우르는 연구 여정은 특정 학문의 경계에 갇히지 않는 유연한 사고의 중요성을 보여줍니다. 하나의 문제를 해결하기 위해 몰입하다 보면 그것이 물리인지 화학인지 구분하는 것은 더 이상 중요하지 않게 됩니다. 이러한 융합적 태도는 복잡한 생명 현상을 다각도에서 조망하고, 기존의 방식으로는 풀기 어려웠던 난제들에 접근하는 새로운 열쇠가 됩니다. 과학자라는 정체성은 단순히 전공에 국한되는 것이 아니라, 진리를 탐구하는 과정 그 자체에서 정의되어야 합니다. 계산 생물학은 생체 분자를 연구 대상으로 삼는 이론 화학의 한 분야로, 실험만으로는 파악하기 힘든 생체 분자의 구조와 기능을 컴퓨터를 통해 예측하고 설계합니다. 이는 미래 의학의 패러다임을 바꿀 핵심 기술로 주목받고 있습니다. 개인의 유전 정보와 의료 빅데이터에 분자 기반의 정밀한 계산 화학적 방법론이 더해진다면, 통계적 오차를 줄인 확실한 정보를 얻을 수 있습니다. 이러한 기술적 진보는 환자 개개인에게 최적화된 맞춤형 신약 개발과 정밀 진단을 가능하게 하여 인류의 건강 증진에 획기적인 기여를 할 것으로 기대됩니다. 화학은 인류의 삶을 풍요롭게 만들고 수명을 연장하는 데 기여해 왔지만, 동시에 환경 파괴와 에너지 고갈이라는 숙제를 남겼습니다. 이제 화학의 가장 큰 미스터리는 '화학이 만든 문제를 화학이 스스로 해결할 수 있는가'에 달려 있습니다. 우리 몸속에서 일어나는 모든 현상은 본질적으로 화학적 반응이며, 이를 인공지능과 컴퓨터 기술로 깊이 있게 이해하려는 노력이 필요합니다. 첨단 기술을 접목한 화학의 발전은 단순히 지식의 확장을 넘어, 지속 가능한 미래를 설계하고 인류가 직면한 위기를 극복하는 강력한 도구가 될 것입니다.

석차옥

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화학

[석학인터뷰] 박태현_ 냄새와 맛, 그것이 미스터리하다! | 2018 가을 카오스강연 '화학의 미스터리, CheMystery'

서울대학교 교수직을 비롯하여 한국과학창의재단과 국가과학기술연구회 등 다양한 분야에서 중책을 맡아온 학자의 삶은 끊임없는 도전의 연속입니다. 수많은 역할을 동시에 수행하면서도 지치지 않고 나아갈 수 있는 원동력은 다름 아닌 자신이 맡은 일에서 진정한 가치를 발견하는 태도에 있습니다. 주어진 기회에 감사하며 그 과정에서 보람을 느끼는 마음가짐은 단순한 업무를 넘어 삶을 풍요롭게 만드는 에너지가 됩니다. 이러한 긍정적인 에너지는 개인의 성취를 넘어 사회 전반에 기여할 수 있는 활동으로 이어지며, 결과적으로 더 나은 미래를 설계하는 밑거름이 됩니다. 일상 속에서 작은 가치를 찾아내고 이를 감사함으로 승화시키는 태도는 현대인들에게도 중요한 시사점을 던져줍니다. 오늘날 4차 산업혁명의 중요성이 강조되고 있지만, 정작 우리 일상의 문화 콘텐츠 속에서는 과학적 면모를 찾아보기 어렵다는 아쉬움이 남습니다. 과거에는 만화 영화 속 과학자 캐릭터를 보며 꿈을 키우던 아이들이 많았으나, 최근의 대중 매체는 자극적인 갈등 구조나 관계 중심의 서사에만 치중하는 경향이 있습니다. 자라나는 세대에게 과학적 호기심과 동기를 부여하기 위해서는 드라마나 영화 제작자들이 과학 기술이 자연스럽게 녹아든 프로그램을 개발하는 데 더 많은 관심을 기울여야 합니다. 대중적인 프로그램 속에 과학적 요소가 스며들 때, 비로소 학생들은 새로운 미래를 꿈꾸고 창의적인 사고를 확장할 수 있는 기회를 얻게 될 것입니다. 화학의 영역에서 여전히 풀리지 않은 거대한 미스터리 중 하나는 바로 인간의 후각과 미각입니다. 시각이나 청각, 촉각을 디지털 정보로 변환하는 기술은 이미 고도로 발달하여 카메라나 녹음기 같은 장치로 구현되었지만, 후각과 미각을 완벽하게 포착하는 장비는 아직 세상에 존재하지 않습니다. 이는 후각과 미각을 유발하는 화학 분자의 구조와 크기가 매우 다양하여 이를 하나의 명확한 화학적 정의로 규정하기 어렵기 때문입니다. 예를 들어 서로 다른 구조를 가진 물질들이 동일한 단맛을 내는 현상은 화학적으로 설명하기 힘든 신비로운 영역입니다. 이러한 감각의 원리를 깊이 이해하려는 노력은 향후 후각과 미각 기능을 구현하는 스마트폰과 같은 혁신적인 기술 개발의 핵심이 될 것입니다.

박태현

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화학

[석학인터뷰] 이광렬_ 나노, 모험심을 가지고 연구하다 | 2018 가을 카오스강연 '화학의 미스터리, CheMysterty'

울릉도라는 고립된 환경에서 보낸 어린 시절은 과학자로서의 소양을 기르는 소중한 자산이 되었습니다. 주변에 친구가 많지 않아 홀로 바다와 산을 누비며 보냈던 시간은 자연스럽게 자연 현상을 관찰하는 습관으로 이어졌습니다. 책에서만 보던 원리들을 실제 현장에서 직접 목격하며 쌓은 경험은 훗날 연구자로서 세상을 바라보는 독특한 시각을 형성해 주었습니다. 이러한 유년기의 경험은 이론에 매몰되지 않고 실재하는 자연의 질서를 탐구하는 과학적 호기심의 뿌리가 되었습니다. 대학 진학 후 전공을 선택하는 과정에서도 남들이 가지 않은 길을 찾으려는 탐구 정신이 빛을 발했습니다. 이미 체계가 잡힌 수학이나 물리와 달리, 화학은 아직 채워나갈 공간이 많은 분야라고 판단했습니다. 특히 나노 과학은 이제 막 태동하는 단계로서 무궁무진한 가능성을 품고 있었습니다. 아무것도 정해지지 않았기에 오히려 더 많은 것을 시도하고 창조할 수 있다는 기대감이 나노라는 미지의 세계로 발을 들이게 한 결정적인 계기가 되었습니다. 실험 과학의 세계는 수많은 실패의 연속이며, 이를 극복하기 위해서는 남다른 치밀함과 끈기가 필요합니다. 흔히 과학자의 성격이 예민하다고 말하는 것은 완벽을 기하려는 치열한 연구 과정에서 비롯된 결과이기도 합니다. 나노 과학은 특정 학문에 머무르지 않고 여러 분야의 경계를 넘나들어야 하기에, 기존의 틀을 깨는 결단력과 개척 정신이 필수적입니다. 이러한 태도는 나노 과학만이 가진 독특한 매력이자 미래 사회를 이끌어갈 핵심적인 역량이 됩니다. 과학자들은 우주의 질서와 생명의 기원에 대해 끊임없이 질문을 던집니다. 열역학 제2법칙에 따르면 우주는 엔트로피가 증가하는 방향으로 흐르지만, 생명체는 오히려 질서를 구축하며 엔트로피를 감소시키는 역설적인 존재입니다. 일부 학자들은 생명체가 물질세계를 더 빠르게 변화시킴으로써 결과적으로 우주 전체의 엔트로피 증가를 가속화한다고 설명하기도 합니다. 이러한 존재의 이유와 우주의 섭리 사이의 미스터리를 풀어가는 과정은 과학 탐구의 궁극적인 지향점입니다. 나노 기술은 이미 우리 삶의 도처에 스며들어 있으며, 앞으로 그 영향력은 더욱 확대될 전망입니다. 4차 산업혁명 시대를 살아갈 미래 세대에게 나노 과학은 직업적 안정성을 넘어 세상을 바꾸는 강력한 도구가 될 것입니다. 다만 기술의 발전이 항상 바람직한 방향으로만 흐르는 것은 아니기에, 우리는 나노 기술이 가져올 변화를 비판적으로 성찰해야 합니다. 미래의 모습을 더 나은 방향으로 수정하고 가꾸어 나가는 것은 과학자와 대중이 함께 고민해야 할 숙제입니다.

이광렬

카오스재단카오스강연

화학

[카오스 술술과학] 화학의 수수께끼, CheMystery

우리가 흔히 접하는 화학이라는 학문의 이름 속에는 세상의 이치를 관통하는 깊은 의미가 담겨 있습니다. 많은 이들이 화학을 그림이나 불과 관련된 학문으로 오해하곤 하지만, 한자 '화(化)' 자를 자세히 들여다보면 그 본질을 명확히 알 수 있습니다. 이 글자는 본래 변화를 뜻하며, 영어 단어인 'Chemistry'의 어원인 'Chem' 역시 변화라는 의미를 내포하고 있습니다. 마치 풀이 자라나 아름다운 꽃으로 피어나는 신비로운 과정처럼, 화학은 세상의 모든 존재가 겪는 근본적인 변화를 탐구하고 그 원리를 밝혀내는 학문이라 할 수 있습니다. 화학은 단순히 변화만을 다루는 데 그치지 않고, 서로 다른 존재들이 어우러지는 합성의 과정을 깊이 있게 연구합니다. 현재까지 발견된 118가지 원소는 주기율표라는 정교한 질서 속에서 수천만 종의 분자를 만들어내며, 이것들이 다시 조화롭게 섞여 우리가 살아가는 거대한 세상을 구성합니다. 일상에서 흔히 사용하는 '케미'라는 표현이 사람 사이의 친화력을 뜻하는 것처럼, 화학의 어원에는 '섞다'라는 의미가 포함되어 있습니다. 즉, 화학은 원소들이 만나 새로운 물질을 탄생시키는 합성의 미학을 보여주는 학문인 셈입니다. 현대 화학의 영역은 에너지와 엔트로피 같은 물리적 법칙부터 생명 현상의 근원인 단백질과 생체막에 이르기까지 매우 방대하게 뻗어 있습니다. 원자가 결합하여 분자가 되는 과정은 마치 전자와 양성자가 추는 우아한 왈츠와 같으며, 분자의 3차원 구조 속에 숨겨진 기능적 아름다움은 나노과학과 분자공학의 튼튼한 토대가 됩니다. 또한 우리가 일상에서 느끼는 맛과 냄새 같은 감각의 영역조차도 결국은 분자 수준에서 일어나는 화학적 상호작용의 결과입니다. 이처럼 화학은 만물의 근원을 이해하고 미래의 새로운 가능성을 열어주는 소중한 열쇠입니다.

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화학

[석학인터뷰] 정택동_ 과학도 사람이 하는 거예요 | 2018 가을 카오스강연 '화학의 미스터리, CheMystery'

정택동 교수는 지방의 작은 소도시에서 성장하며 평범하지만 성실한 학창 시절을 보냈습니다. 어린 시절부터 화학자라는 확고한 꿈을 가졌던 것은 아니었으며, 전자공학자나 의사, 정치가 등 다양한 분야에 관심을 두며 진로를 고민했습니다. 대학 진학 시점까지도 명확한 방향을 정하지 못했던 그는 우연한 계기로 화학의 길에 들어서게 되었고, 이는 한 분야에 국한되지 않는 넓은 시야를 갖게 된 밑거름이 되었습니다. 이러한 배경은 그가 훗날 학문적 경계를 넘나드는 연구자로 성장하는 데 중요한 역할을 했습니다. 전기화학이라는 전공을 선택하게 된 계기는 학문적 경계를 넘나드는 독특한 매력에 매료되었기 때문입니다. 화학이라는 기초 위에 전기와 생물 같은 이질적인 요소들이 결합하여 새로운 시너지를 내는 과정은 연구자로서의 호기심을 자극하기에 충분했습니다. 이러한 융합적 특성은 그가 기존의 정형화된 연구 방식에서 벗어나 보다 넓은 시각으로 세상을 바라보게 하는 원동력이 되었습니다. 서로 다른 분야가 만나 조화를 이루는 지점을 탐구하는 즐거움은 그를 평생의 연구 길로 인도했습니다. 과학 연구는 본질적으로 미래가 불확실하며 노력한 만큼의 결과가 즉각적으로 나타나지 않는 고된 과정입니다. 이러한 불안함을 극복하기 위해 필요한 것은 자기 자신에 대한 깊은 이해와 확신입니다. 학부 시절 종교학이나 고고인류학 등 인문학적 소양을 쌓았던 경험은 그가 연구자로서 흔들리지 않는 중심을 잡는 데 큰 도움이 되었습니다. 사람이 하는 일인 과학에서 내가 누구인지 알고 무엇을 원하는지 깨닫는 과정은 연구의 지속 가능성을 결정짓는 핵심적인 요소가 됩니다. 분석화학은 단순히 화학의 한 분과를 넘어 모든 실험 과학의 근간을 이루는 독특한 학문입니다. 과학적 가설이 진정한 의미를 갖기 위해서는 철저한 검증 과정이 필수적인데, 분석화학은 이를 가능하게 하는 도구와 수단을 제공합니다. 아무리 뛰어난 이론이라도 실질적인 증거를 통해 뒷받침되지 않으면 발전할 수 없기에, 분석화학에 대한 이해는 다른 모든 과학 분야로 나아가기 위한 필수적인 관문이라 할 수 있습니다. 이는 과학의 진전을 이끄는 보이지 않는 힘과 같습니다. 화학의 가장 큰 미스터리는 물질의 변화 그 자체에 있습니다. 우리는 물질이 변화하는 과정을 대략적으로 이해하고 있지만, 원하는 물질을 정확하게 합성하거나 완벽하게 분리해내는 일은 여전히 정복해야 할 과제로 남아 있습니다. 이러한 변화의 중심에는 전자의 이동과 그에 따른 양성자의 움직임이 자리 잡고 있으며, 이는 곧 모든 생명체가 에너지를 얻는 근원적인 원리가 됩니다. 미시적인 입자들의 역동적인 상호작용을 탐구하는 과정은 생명의 신비를 풀어가는 여정과도 맞닿아 있습니다.

정택동

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화학

[석학인터뷰] 김경택 ─ 화학계의 이야기꾼 | 2018 가을 카오스강연 '화학의 미스터리, CheMystery'

고분자는 우리 일상과 떼려야 뗄 수 없는 밀접한 관계를 맺고 있는 재료입니다. 이는 비교적 단순하고 작은 분자들이 공유 결합이라는 화학적 연결을 통해 반복적으로 결합하며 만들어진 거대한 분자를 의미합니다. 김경택 교수는 유기 화학적 방법론을 도구로 삼아 구조가 정밀하게 정의된 고분자를 합성하는 연구에 매진하고 있습니다. 특히 특정 구조를 가진 고분자가 어떠한 물리적 행동을 보이는지 관찰함으로써, 분자의 구조와 그에 따른 특성 사이의 상관관계를 깊이 있게 이해하는 것이 연구의 핵심입니다. 이러한 연구는 우리가 사용하는 다양한 재료의 근본적인 원리를 밝히는 중요한 토대가 됩니다. 화학의 세계에서 탄소는 생명체를 포함한 모든 체계를 구성하는 가장 중추적인 원소로 꼽힙니다. 탄소는 이웃한 다른 탄소 원자들과 매우 다양한 형태로 견고한 화학 결합을 형성할 수 있는 독특한 성질을 지니고 있습니다. 이러한 탄소의 유연성과 결합력 덕분에 우리가 경험하는 세계의 놀라운 다양성이 존재할 수 있으며, 생명이라는 고차원적인 형태 또한 탄생할 수 있었습니다. 김경택 교수는 탄소를 '애증의 관계'이자 가장 좋아하는 원소로 언급하며, 탄소가 만들어내는 무궁무진한 가능성이 곧 생명과 존재의 근원임을 강조합니다. 이는 화학이 단순한 물질의 조합을 넘어 생명의 신비를 푸는 열쇠임을 시사합니다. 화학이 아직 풀지 못한 거대한 수수께끼 중 하나는 단순한 분자들이 어떻게 복잡한 생명체로 진화했는가 하는 '화학적 진화'의 과정입니다. 또한 인간의 의식이라는 추상적인 개념이 과연 어떤 물질적 기반을 통해 발현되는지에 대한 질문도 여전히 미지의 영역으로 남아 있습니다. 이러한 철학적이고 과학적인 질문들에 답하기 위해 화학자들은 실험실에서 끊임없이 노력하며 지식의 지평을 넓혀가고 있습니다. 주기율표는 이러한 화학적 진리와 역사적 경험이 논리적으로 축적된 결정체입니다. 단순히 암기해야 할 대상이 아니라, 우주를 구성하는 원소들의 질서를 담은 지도로서 그 가치를 재조명할 필요가 있습니다.

김경택

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화학

[석학인터뷰] 김성근_ 멋진 과학 할배가 되고 싶어요 | 2018 가을 카오스강연 '화학의 미스터리, CheMystery'

어린 시절 과학 잡지와 아톰을 보며 과학자의 꿈을 키웠던 김성근 교수는 여전히 그 순수한 열정을 간직한 채 '멋진 과학 할배'가 되기를 꿈꿉니다. 그는 연구 과정에서 겪는 수많은 시행착오를 스트레스가 아닌 당연한 과정으로 받아들입니다. 마치 높은 산을 오를 때 험난함을 미리 인지하고 시작하는 것처럼, 연구가 마음대로 되지 않는 것이 정상이라는 마음가짐이 그를 지치지 않게 만드는 비결입니다. 이러한 태도는 학문적 성취를 넘어 삶을 대하는 지혜로운 자세를 보여줍니다. 김성근 교수는 과학자를 보물을 담는 그릇에 비유하며, 내부의 아름다움을 밖으로 투영할 수 있는 '유리병' 같은 과학자가 되어야 한다고 강조합니다. 그는 특히 통계역학의 선구자 루트비히 볼츠만을 깊이 존경하는데, 그를 기존 세력에 맞서 홀로 진리를 외쳤던 용기 있는 '풍운아'로 묘사합니다. 관습에 얽매이지 않고 과학 발전을 위해 투쟁했던 볼츠만의 야생마 같은 기질은 현대 과학자들에게도 큰 영감을 줍니다. 대중과 소통하며 지식의 가치를 나누는 용기야말로 진정한 과학자의 덕목입니다. 화학의 진정한 매력은 광대한 우주와 복잡한 생명 현상이 단 92종의 자연 원소로 이루어져 있다는 사실에 있습니다. 김성근 교수는 자신의 첫사랑 원소인 리튬이 현대 전자 산업의 핵심이 된 것처럼, 아주 작은 원소들이 보편적인 화학 원리에 따라 거대한 우주를 관장하는 체계가 화학 최고의 미스터리라고 말합니다. 생명 그 자체도 결국 화학적 이해를 통해 풀어나가야 할 숙제이며, 21세기의 연금술사들은 이러한 신비를 추적하며 자연과학의 근본적인 질문에 답을 찾아가고 있습니다.

김성근

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화학

[강연] 기억 찾기 (1) _ 강봉균 교수 | 2016 봄 카오스 강연 '뇌 - Brain' 3강 | 3강 ①

우리 뇌는 무수히 많은 별이 반짝이는 밤하늘처럼 신비로운 우주와 같습니다. 인간의 삶에서 기억은 단순히 과거를 회상하는 도구를 넘어, 걷고 말하며 타인과 소통하는 모든 일상적 행위의 근간이 됩니다. 만약 우리에게 기억이 없다면 가족의 얼굴을 알아보지 못하는 것은 물론, 태어날 때부터 학습한 걸음마조차 잊어버려 정상적인 생활이 불가능해질 것입니다. 이처럼 뇌는 우리가 살아가는 매 순간 기억에 의존하며 작동하는 정교한 기관이며, 기억이 없다면 우리의 존재 자체도 정의하기 어려울 것입니다. 뇌는 기본적으로 전기 신호와 화학 신호의 원리로 작동하는 기관입니다. 측두엽, 두정엽, 전두엽 등 각 부위는 시각 및 청각 정보 처리부터 고차원적인 의사 결정까지 서로 다른 인지 기능을 담당합니다. 우리가 특정한 영상을 보거나 깊은 생각을 할 때마다 뇌의 특정 부위에서는 미세한 전기 신호가 발생하고 화학 물질이 분비됩니다. 이러한 전기 신호와 화학 신호의 상호작용을 통해 뇌는 외부 환경의 정보를 받아들이고 이를 처리하여 우리 몸의 반응을 이끌어냅니다. 특정 부위를 인위적으로 자극하면 인지 기능을 조절할 수 있다는 점은 뇌가 물리적 실체임을 보여줍니다. 뇌 속에는 약 1,000억 개의 뉴런이 존재하며, 이들은 각자 고유한 전기 신호인 활동 전위를 만들어냅니다. 심장 세포들이 일제히 박동하며 합창을 하는 것과 달리, 뇌세포들은 각기 다른 리듬으로 신호를 내보내며 마치 오케스트라의 교향곡과 같은 복잡한 조화를 이룹니다. 이러한 뉴런들은 서로 촘촘하게 연결되어 거대한 신경 회로망을 형성합니다. 우리가 누군가의 이름을 떠올리려 할 때 이 회로가 원활하게 작동해야 비로소 온전한 정보를 끄집어낼 수 있게 됩니다. 만약 이 회로가 일시적으로 막히면 잘 아는 이름도 기억나지 않는 현상이 발생하기도 합니다. 뉴런과 뉴런이 만나는 지점인 시냅스는 기억이 저장되는 핵심적인 장소입니다. 이곳에서는 글루탐산과 같은 신경 전달 물질이 분비되어 정보를 전달하며, 흥분성과 억제성 시냅스가 균형을 이루어 뇌의 정상적인 운영을 돕습니다. 특히 시냅스 가시의 크기와 형태는 학습에 의해 역동적으로 변화하는데, 이를 '시냅스 가소성'이라고 부릅니다. 학습을 통해 시냅스 연결이 강화되거나 변형되는 과정 자체가 바로 우리 뇌에 기억이 새겨지는 물리적인 실체라고 할 수 있습니다. 1,000조 개에 달하는 시냅스의 변화가 곧 우리의 학습과 기억의 역사가 되는 셈입니다. 기억은 크게 말로 표현할 수 있는 서술 기억과 몸으로 익히는 비서술 기억으로 나뉩니다. 서술 기억은 뇌의 해마를 중심으로 처리되며, 우리가 경험한 사건이나 지식을 저장하는 역할을 합니다. 해마가 손상되면 새로운 사실을 기억하지 못하는 장애가 발생하기도 하는데, 이는 해마가 새로운 기억을 형성하는 관문임을 시사합니다. 반면 운동 기술과 같은 비서술 기억은 소뇌나 기저핵 등 다른 부위에서 담당하며 반복적인 훈련을 통해 습득됩니다. 이처럼 뇌는 기억의 성격에 따라 저장 위치를 달리하고 효율적으로 관리하며 인간의 다채로운 지적 활동을 뒷받침합니다.

강봉균

카오스재단카오스강연

뇌인지과학

[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

[석학인터뷰] 김성근 KAOS 과학위원(서울대학교 화학과 교수, 자연대 학장) 인터뷰

과학은 흔히 전문가들만의 영역으로 여겨지기 쉽지만, 대중과의 거리를 좁히는 노력은 현대 사회에서 매우 중요한 과제입니다. 카오스재단과 같은 단체들은 전문가 집단과 대중을 연결하며 과학의 대중화를 이끄는 가교 역할을 수행하고 있습니다. 과학자들이 대중에게 지식을 전달하는 과정은 결코 쉽지 않지만, 이러한 소통을 통해 과학이 우리 삶의 일부로 자리 잡는 과정은 매우 흥미롭고 가치 있는 일입니다. 앞으로도 이러한 활동이 활발해져 과학이 모두가 즐길 수 있는 문화로 정착되기를 기대합니다. 어린 시절 만화책이나 우주선 발사 장면을 보며 키웠던 과학에 대한 동경은 많은 이들에게 과학자의 꿈을 심어주는 계기가 됩니다. 저 역시 달 착륙 장면을 지켜보며 과학을 무작정 동경하게 되었지만, 고등학교 시절 적성에 대한 고민으로 첫 번째 좌절을 겪기도 했습니다. 주변에서는 문과 적성이라고 권유했고 실제로 수학이나 과학 성적이 기대만큼 나오지 않아 고민이 깊었지만, 과학을 향한 순수한 동경은 결국 저를 이 길로 이끌었습니다. 적성이라는 틀에 갇히기보다 열정을 따르는 것이 중요함을 깨닫는 과정이었습니다. 리처드 파인만의 저서 '파인만 씨, 농담도 잘하시네요!'는 과학이 무엇인지 보여주는 훌륭한 입문서입니다. 이 책은 과학적 사고 체계가 자연을 어떻게 바라보는지 평이하고 유머러스하게 설명하며, 과학이 결코 딱딱한 학문이 아님을 일깨워줍니다. 과학은 단순히 지식을 암기하는 것이 아니라, 세상을 바라보는 독특한 시각과 호기심을 바탕으로 합니다. 간결한 문장 속에 담긴 과학자의 사고방식을 접하다 보면, 대중도 과학 본연의 즐거움을 발견하고 자연의 작동 원리에 대해 깊이 이해할 수 있는 기회를 얻게 될 것입니다. 한국 사회에서 과학은 오랫동안 경제 발전을 위한 도구이자 기술 발전을 위한 소비재처럼 인식되어 왔습니다. 서구 사회가 근대 과학의 태동기부터 우주와 자연에 대한 근본적인 호기심을 바탕으로 과학을 발전시켜 온 것과는 대조적입니다. 이제 우리나라는 남을 따라가는 추종형 기술에서 벗어나 세계 최첨단을 달리는 선도형 국가로 도약해야 하는 시점에 서 있습니다. 이를 위해서는 모방이 아닌 창조가 필요하며, 그 핵심은 결국 기초과학의 탄탄한 토대 위에 세워진 원천 기술의 확보에 달려 있다고 할 수 있습니다. 화학은 물리학이라는 뿌리와 생명과학이라는 꽃을 잇는 줄기와 같은 '중심 과학'입니다. 하지만 대중에게 화학은 종종 오염 물질이나 위험한 약품이라는 부정적인 이미지로 각인되어 있기도 합니다. 사실 우리가 마시는 물을 포함해 세상의 모든 물질은 화학 물질이며, 이를 무조건 두려워하기보다는 정확히 이해하고 제어하는 태도가 필요합니다. 현대 사회의 다양한 위험 요소들을 피하기만 하는 것이 아니라, 과학적 이해를 바탕으로 적극적으로 조절하려는 의지가 있을 때 비로소 화학은 인류의 발전을 돕는 진정한 역할을 수행할 수 있습니다.

김성근

카오스재단석학인터뷰

화학
융합

[석학인터뷰] 교수님처럼 글을 잘 쓰려면 어떻게 해야하나요?- KAOS 최재천 국립생태원장 인터뷰 영상

생명의 기원을 밝히는 일은 과학계에서 가장 어려운 과제 중 하나입니다. 생명이 처음 탄생하던 순간을 직접 목격한 이가 없기에, 우리는 현재 관찰 가능한 데이터만을 바탕으로 과거를 유추할 수밖에 없습니다. 종교적 설명이나 외계 유입설은 언뜻 명쾌해 보이지만, 이는 근본적인 발생 원리에 대한 과학적 해답이 되기 어렵습니다. 외계에서 생명이 왔다고 가정하더라도 그 생명이 어디서 어떻게 시작되었는지에 대한 질문은 여전히 남기 때문입니다. 결국 우리는 지구라는 환경 안에서 생명이 태동한 과정을 논리적으로 추적해야만 합니다. 좋은 글을 쓰는 비결은 타고난 재능보다는 치열한 퇴고의 과정에 있습니다. 마감 기한을 스스로 앞당겨 설정하고, 완성된 초고를 수십 번 다시 읽으며 다듬는 정성이 필요합니다. 특히 글을 소리 내어 읽었을 때 느껴지는 리듬감은 독자에게 의미를 전달하는 핵심적인 요소입니다. 귀로 들었을 때 매끄럽지 않거나 호흡이 끊기는 문장은 과감히 수정해야 합니다. 글쓴이가 스스로 읽기에 불편함이 없을 때까지 고치고 또 고치는 반복적인 노력이 뒷받침될 때, 비로소 독자의 마음을 움직이는 생동감 넘치는 문장이 탄생하게 됩니다. 자연과학의 여러 분야 중 생물학은 독특한 위치를 차지합니다. 물리학이나 화학이 대상을 더 작은 단위로 쪼개어 분석하는 환원주의적 접근에 집중한다면, 생물학은 그 분석된 요소들을 다시 하나로 묶어내는 종합력을 요구합니다. 세포 하나를 들여다보는 분석력도 중요하지만, 그 세포들이 모여 하나의 생명체를 이루고 나아가 생태계 속에서 상호작용하는 전체적인 그림을 그릴 수 있어야 합니다. 생명의 오묘함은 단순히 부분을 합친 것 이상의 복잡성을 지니고 있기에, 이를 이해하기 위해서는 분석력과 종합력의 균형이 필수적입니다. 생물학적 탐구는 미시적인 세계와 거시적인 세계를 동시에 아우르는 매력을 지니고 있습니다. 분석력만을 강조하는 학문적 풍토에서 벗어나, 쪼개진 파편들을 연결하여 생명이라는 거대한 퍼즐을 완성해 나가는 과정은 지적 호기심을 자극하기에 충분합니다. 이러한 종합력은 생명 현상의 본질을 꿰뚫어 보는 힘이 됩니다. 단순히 지식을 습득하는 것을 넘어 생명체가 살아가는 방식과 그 의미를 탐구하는 일은 인간이 자연을 이해하는 가장 깊이 있는 방법 중 하나입니다. 분석력과 종합력을 넘나드는 통찰력은 생물학자가 갖춰야 할 최고의 덕목입니다. 현대 과학에서 생물학의 역할은 갈수록 중요해지고 있습니다. 기후 위기나 질병 등 인류가 직면한 복잡한 문제들을 해결하기 위해서는 생명 시스템에 대한 다각적인 이해가 필요하기 때문입니다. 분석적인 데이터에 기반하면서도 전체적인 조화를 고려하는 생물학적 접근 방식은 미래 과학의 핵심적인 방법론이 될 것입니다. 자연의 섭리를 존중하며 생명의 기원부터 현재의 다양성까지 아우르는 학문적 여정은 우리에게 세상을 바라보는 새로운 눈을 제공합니다. 지적 치열함과 종합력을 통해 우리는 생명의 신비에 한 걸음 더 다가갈 수 있습니다.

최재천

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융합

[강연] 물질의 기원 (1) - 빅뱅 우주론의 세 기둥 _ 김희준 교수 | 2015 봄 카오스 강연 'ORIGIN' 2강 | 2강 ①

우주의 탄생 이후 물질이 어떻게 형성되었는지를 탐구하는 것은 인류의 가장 근본적인 질문 중 하나입니다. 물질은 소립자에서 시작하여 원자와 분자를 거쳐 생명체로 이어지는 거대한 흐름 속에 존재합니다. 과거에는 물질의 기원을 과학적으로 논하기 어려웠으나, 현대 과학은 우주의 역사를 통해 이를 일목요연하게 설명해 줍니다. 물질과 빛의 상호작용으로 이루어진 이 세상에서 우리가 어디서 왔는지를 추적하는 과정은 곧 우주와 생명의 기원을 이해하는 열쇠가 됩니다. 우주의 역사는 크게 다섯 단계의 진화 과정을 거쳐 현재에 이르렀습니다. 빅뱅 직후 소립자들이 급격히 변모한 초기 진화를 시작으로, 별들이 탄생하고 소멸하며 무거운 원소를 만들어낸 별의 진화가 이어졌습니다. 이후 우주 공간에 퍼진 원소들이 결합하여 유기물을 형성하는 화학적 진화가 일어났고, 지구라는 환경에서 생명체가 등장하는 생물학적 진화로 연결되었습니다. 마지막으로 인류가 등장하여 지성을 갖추게 된 인류의 진화까지, 이 모든 과정은 정교한 인과관계로 얽혀 있습니다. 시간을 거슬러 올라가면 물질의 변화 양상을 더욱 구체적으로 확인할 수 있습니다. 수만 년 전 농경의 시작과 수십만 년 전 현생 인류의 등장을 지나, 수억 년 전 공룡의 시대를 거쳐 10억 년 전에는 바닷속 광합성 박테리아가 지구의 환경을 바꾸어 놓았습니다. 100억 년 전으로 더 깊이 들어가면 태양계조차 형성되기 이전의 원시 우주와 마주하게 됩니다. 이러한 시간적 추적은 우리가 단순히 현재에 머무는 존재가 아니라, 우주의 유구한 역사와 긴밀히 연결된 존재임을 깨닫게 합니다. 빅뱅 우주론은 세 가지 강력한 증거를 통해 뒷받침됩니다. 첫째는 허블의 법칙으로 알려진 우주의 팽창이며, 둘째는 우주 전체에 균일하게 퍼져 있는 우주 배경 복사입니다. 마지막으로 가장 결정적인 증거는 우주에 존재하는 원소의 분포 비율입니다. 우주 어디를 보더라도 수소와 헬륨의 질량비가 약 3대 1로 일정하게 나타난다는 사실은, 이 가벼운 원소들이 우주 초기의 뜨거운 상태에서 한꺼번에 만들어졌음을 시사합니다. 이는 물질의 기원을 밝히는 결정적인 단서가 됩니다. 원소의 기원에 대한 과학적 이해는 20세기를 거치며 완성되었습니다. 초기에는 모든 원소가 별 내부에서 만들어졌거나 혹은 빅뱅 당시에 생성되었다는 주장이 대립했으나, 현재는 두 과정이 상호 보완적임을 알고 있습니다. 수소와 헬륨 같은 가벼운 원소는 빅뱅 초기에 형성되었고, 탄소나 산소, 철과 같은 무거운 원소들은 별의 내부와 초신성 폭발 과정을 통해 탄생했습니다. 결국 우리 몸을 구성하는 수소는 138억 년 전의 것이며, 우리는 말 그대로 별의 먼지로부터 온 존재들입니다.

김희준

카오스재단카오스강연

물리학
천문학