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

전체는 부분의 합 이상이라는 아리스토텔레스의 말처럼, 화학자는 개별 요소들이 모여 만들어내는 새로운 가치를 극대화하는 역할을 수행합니다. 하지만 완벽한 전체를 구현하기 위해서는 그 구성 요소인 부분에 대한 깊은 이해가 선행되어야 합니다. 마치 수많은 알루미늄 캔이 모여 하나의 거대한 예술 작품을 이루듯, 화학의 세계에서도 분자 하나하나의 색깔과 모양, 그리고 방향을 정확히 파악하는 것이 중요합니다. 이러한 미시적인 관점은 거시적인 화학 반응을 설계하고 통제하는 데 있어 필수적인 기초가 되며, 보이지 않는 세계를 탐구하는 화학자들의 궁극적인 지향점이기도 합니다. 인류 역사에서 식량 문제는 생존과 직결된 중대한 과제였습니다. 19세기 말 인구 급증으로 인한 기근 위기 속에서 화학자들은 공기 중의 질소를 고정하여 비료를 만드는 방법을 치열하게 고민했습니다. 프리츠 하버와 카를 보슈는 극한의 온도와 압력 조건에서 암모니아를 합성하는 데 성공하며 인류를 굶주림의 공포로부터 구해냈습니다. 이 과정에서 핵심적인 역할을 한 것이 바로 촉매입니다. 촉매는 스스로 반응에 직접 관여하지 않으면서도 활성화 에너지를 낮추어 화학 반응이 더 쉽고 빠르게 일어날 수 있도록 돕는 중매쟁이와 같은 역할을 수행하며 현대 화학 공정의 근간을 이루고 있습니다. 화학 반응이 일어나는 주요 무대 중 하나는 물질의 표면입니다. 표면은 단순히 물질의 가장 바깥쪽 경계를 넘어, 원자와 분자들이 자유롭게 움직이며 상호작용하는 공간입니다. 분자가 표면에 달라붙는 흡착부터, 표면 위를 이동하는 확산, 그리고 에너지를 얻어 다시 떨어져 나가는 탈착에 이르기까지 다양한 현상이 이곳에서 발생합니다. 특히 물질의 크기가 작아질수록 전체 원자 중 표면에 노출된 원자의 비율이 급격히 높아지는데, 이는 나노 기술의 핵심 원리이자 표면 화학이 현대 과학에서 매우 중요한 위치를 차지하는 이유입니다. 불균일한 표면의 특성을 이해하는 것은 새로운 물질을 설계하는 첫걸음이 됩니다. 분자 한 개를 직접 관찰하고 조작하기 위해서는 특별한 도구가 필요합니다. 주사 터널 현미경이라 불리는 STM은 아주 뾰족한 탐침을 시료 표면에 가까이 가져가 흐르는 터널 전류를 이용해 원자 단위의 이미지를 얻습니다. 탐침과 표면 사이의 거리가 미세하게만 변해도 전류의 양이 지수함수적으로 변화하는 특성을 활용하여, 원자 하나하나의 굴곡을 정밀하게 그려낼 수 있습니다. 1982년 발명된 이 기술은 과학계에 혁신적인 진보를 가져왔으며, 인류가 물질의 최소 단위인 원자와 분자를 직접 눈으로 확인하고 제어할 수 있는 시대를 열어주었습니다. 이는 단순한 관찰을 넘어 물질의 본질에 다가가는 중요한 도구입니다. STM은 단순히 보는 것에 그치지 않고, 전자의 에너지와 개수를 조절하여 분자를 자르거나 옮기는 칼의 역할까지 수행합니다. 이러한 정밀한 연구를 위해 실험실 내부에 우주 공간과 유사한 초고진공 상태와 영하 269도에 달하는 극저온 환경을 조성합니다. 분자의 움직임을 멈추고 개별적인 특성을 대화하듯 탐구하기 위함입니다. 이러한 단분자 수준의 연구는 태양 전지, OLED, 이차 전지 등 다양한 에너지 변환 시스템의 효율을 높이는 데 기여하며, 미래 과학 기술의 새로운 지평을 넓혀가고 있습니다. 분자 하나하나를 제어하는 기술은 결국 인류의 삶을 풍요롭게 만드는 혁신적인 에너지 기술로 이어질 것입니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[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

[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

카오스재단카오스강연

화학

표면화학

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

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

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

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