과학 포털 iKAOS

54 Contents

자연🪳🕷️과 닮은 로봇🤖│선을 넘는 과학자들

자연을 닮은 로봇, 즉 생체모방 로봇은 자연계 생물의 효율적이고 뛰어난 움직임과 메커니즘을 연구하여 이를 로봇 기술에 적용하는 분야입니다. 단순히 생물의 형태를 모방하는 것이 아니라, 그 원리를 분석해 기존 로봇이 할 수 없었던 다양한 기능과 성능의 극대화를 추구합니다. 이를 위해서는 제조 공정, 구동기, 재료, 설계, 그리고 수학적·전기전자적 모델링 등 다양한 기술이 필요합니다. 생체모방 로봇은 자연의 환경에 따라 달라지는 생물의 효율성을 이해하고, 이를 로봇에 접목시켜 새로운 가능성을 열어갑니다. 생체모방 로봇의 대표적인 예로 바퀴벌레를 모방한 로봇이 있습니다. 바퀴벌레는 복잡한 지형에서도 빠르고 유연하게 움직일 수 있는데, 이러한 특성을 로봇에 적용함으로써 기존 로봇이 어려웠던 험지 주행을 가능하게 했습니다. 다리의 단순함과 기계적인 지능, 새로운 제조 공정, 그리고 특수 재료와 효율적인 메커니즘의 도입이 핵심입니다. 이러한 기술적 진보는 초소형 생체모방 로봇의 개발로 이어지며, 다양한 공학적·산업적 응용 가능성을 보여줍니다. 소금쟁이 로봇의 개발은 자연의 표면장력 활용 원리를 로봇에 적용한 대표적인 사례입니다. 소금쟁이는 물 표면의 장력을 이용해 수면 위를 뛰어오르는데, 이를 모방한 로봇은 실제 소금쟁이와 유사한 크기와 무게로 14cm까지 도약할 수 있습니다. 이 과정에서 표면장력이 깨지지 않을 정도로 힘을 조절하는 것이 중요하며, 로봇의 움직임을 통해 소금쟁이의 비밀을 과학적으로 규명할 수 있게 되었습니다. 또한, 힘을 과도하게 주면 오히려 도약 효율이 떨어지는 등 자연의 섬세한 균형을 이해하는 데에도 큰 도움이 되었습니다. 자연의 또 다른 경이로움은 라고리아라는 소금쟁이에서 발견된 부채 모양의 다리 구조입니다. 이 구조는 물속에 들어갈 때는 펼쳐지고, 뺄 때는 오므라드는 특성을 가지고 있어 표면장력의 한계를 극복합니다. 근육 없이도 환경에 따라 자동으로 변형되는 이 구조는 공학적으로도 매우 혁신적인 아이디어를 제공합니다. 연구진은 현미경 관찰과 미세 가공 기술을 통해 이 구조를 인공적으로 재현하였고, 이를 적용한 로봇은 기존보다 훨씬 높은 성능을 발휘할 수 있게 되었습니다. 이러한 초소형 생체모방 로봇 기술은 미래의 다양한 응용 분야로 확장될 전망입니다. 현재는 나노·마이크로 스케일의 로봇이 상용화되어 있지 않지만, 앞으로는 안경, 시계, 옷 등 일상용품에 로봇이 내장되어 사람의 삶을 더욱 편리하게 만들 것으로 기대됩니다. 특히, 곤충 크기의 로봇이 정보를 전달하거나 도움을 주는 역할을 하게 되면, 인간과 로봇의 상호작용이 한층 더 가까워질 것입니다. 자연의 비밀을 푸는 과정 자체도 큰 가치가 있으며, 이러한 연구가 미래 기술의 핵심이 될 것입니다.

국립과천과학관선을 넘는 과학자들🔬

물리학
생명과학
융합

금은 왜 노란색일까?

우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 금속들은 대개 은백색이나 회색빛을 띱니다. 철, 은, 알루미늄 등이 대표적이죠. 하지만 금은 '금색'이라 불리는 독특한 노란빛을 자랑하며 인류의 역사 속에서 특별한 대우를 받아왔습니다. 고대인들은 금으로 귀중한 장신구를 만들었고, 중세 연금술사들은 다른 금속을 금으로 바꾸기 위해 평생을 바쳤습니다. 대항해 시대의 탐험가들이 황금의 땅 엘도라도를 찾아 험난한 항해를 떠난 이유도 바로 이 매혹적인 빛깔과 가치 때문이었습니다. 금의 가장 큰 특징은 선명하게 빛나는 깊이 있는 노란색입니다. 자연계에는 황이나 레몬처럼 노란색을 띠는 물질이 많지만, 그 무엇도 금색이라 불리지는 않습니다. 흥미롭게도 우리가 금색을 가장 쉽게 발견할 수 있는 곳은 바로 하늘 위의 태양입니다. 과거 농경 사회에서 태양은 절대적인 숭배의 대상이었으며, 여러 문명에서 신으로 추앙받았습니다. 그런 인간이 땅속에서 태양을 쏙 빼닮은 금속을 발견했을 때 느꼈을 경외심은 짐작하기 어렵지 않습니다. 금은 시간이 흘러도 변하지 않는 영원성을 지니고 있습니다. 인류와 함께한 청동은 푸른 녹으로 뒤덮이고, 철은 붉게 바스러지며 사라집니다. 은이나 구리조차 공기 중의 산소와 만나면 빛을 잃고 변하기 마련입니다. 하지만 금은 결코 녹슬지 않고 처음의 광택을 유지합니다. 태양을 닮은 빛깔에 변치 않는 성질까지 더해지면서, 금은 인류에게 단순한 금속 이상의 가치를 지닌 '신의 금속'으로 자리 잡게 되었습니다. 과학적으로 금이 노란색을 띠는 이유는 빛의 흡수와 반사 원리에 있습니다. 대부분의 금속은 가시광선 파장의 빛을 흡수하지 못하고 그대로 반사하여 은백색 광채를 냅니다. 하지만 금은 특정 파장의 빛을 선택적으로 흡수하는 성질을 가집니다. 빛의 흡수는 원자 내 전자의 에너지 준위와 관련이 있는데, 금은 독특한 전자 배치 덕분에 일반적인 금속과는 다른 광학적 특성을 보여주며 우리 눈을 사로잡습니다. 금의 특별함은 양자역학적 관점에서 더욱 명확해집니다. 금의 원자번호는 79번으로, 최외각 전자가 광속의 약 58%라는 매우 빠른 속도로 움직입니다. 이러한 상대론적 효과 덕분에 금은 에너지가 낮은 가시광선 영역의 빛을 흡수하는 것만으로도 전자가 전이될 수 있습니다. 현대에 이르러 금은 뛰어난 전기 전도성과 유연성을 바탕으로 정밀 전자기기의 핵심 소재로도 활용되고 있습니다. 나노 크기에서는 붉은색으로 변하는 등 금은 여전히 신비로운 비밀을 간직하고 있습니다.

과학플랫폼 SOAK

물리학
화학

[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

[댓글 이벤트] 이보다 더 작은 화학🧑‍🔬은 영원히 없다! 나노화학 Part.1ㅣ선을 넘는 과학자들

나노세계는 10억분의 1미터라는 육안으로는 가늠조차 하기 힘든 미세한 영역을 다룹니다. 과거에는 보이지 않아 조절할 수 없었던 이 작은 세계가 현대 과학기술의 발전으로 우리 앞에 모습을 드러내기 시작했습니다. 나노화학은 단순히 물질을 작게 만드는 것에 그치지 않고, 물질의 근본적인 성질을 제어하여 암 치료나 새로운 광학 연구 등 무궁무진한 가능성을 탐구합니다. 보이지 않는 곳에서 시작되는 이 거대한 변화는 현대 과학의 모든 분야가 주목하는 핵심적인 열쇠가 되고 있습니다. 대중에게 물리학이나 천문학은 양자역학이나 블랙홀처럼 신비로운 탐구의 대상으로 사랑받지만, 화학은 상대적으로 인기가 적은 편입니다. 이는 화학이 우리 실생활과 너무 밀접하게 연결되어 있어 오히려 공포의 대상이 되기 때문입니다. '케모포비아'라는 용어가 등장할 만큼 대중은 화학물질을 유전자 조작이나 환경호르몬과 같은 위험 요소로 인식하곤 합니다. 과학자들은 화학의 유용성을 강조하지만, 대중의 마음속에 자리 잡은 막연한 거부감을 해소하는 것은 여전히 어려운 과제로 남아 있습니다. 모든 물질의 독성은 본질적인 성질보다 '양'에 의해 결정됩니다. 생명 유지에 필수적인 물조차 짧은 시간에 과도하게 섭취하면 신경 전달 체계에 문제를 일으켜 치명적인 독이 될 수 있습니다. 하지만 인간은 이성적인 판단보다 '가용성 휴리스틱'이라는 심리적 기제에 더 큰 영향을 받습니다. 하수구를 정수한 물이 과학적으로 아무리 깨끗하더라도 선뜻 마시지 못하는 것처럼, 한 번 각인된 부정적인 이미지는 논리적인 설명만으로는 쉽게 바뀌지 않는 특성을 지닙니다. 우리가 사용하는 언어와 용어의 선택은 물질에 대한 인식을 완전히 바꾸어 놓기도 합니다. '물'이라는 단어는 신선함을 주지만, 이를 화학 명칭인 '일산화이수소'라고 부르면 왠지 모를 거부감과 위험성을 느끼게 됩니다. 이러한 심리적 틈새를 파고드는 언론의 자극적인 보도는 화학에 대한 오해를 더욱 심화시킵니다. 결론 없는 자극적인 제목들은 대중이 화학의 본질을 이해하기보다는 막연한 불안감을 갖게 만들며, 이는 결국 과학과 대중 사이의 간극을 넓히는 결과를 초래합니다. 나노화학은 화학이라는 학문이 도달할 수 있는 크기의 마지막 경계선이라 할 수 있습니다. 거시적인 세계에서는 물질이 단순히 재료로 인식되지만, 나노 단위로 작아지면 물질은 전혀 새로운 물리적, 화학적 특성을 나타내기 시작합니다. 더 이상 쪼갤 수 없는 화학의 끝단에서 우리는 우주의 기원을 탐구하는 천문학처럼 신비롭고 흥미진진한 과학의 세계를 만날 수 있습니다. 가장 작은 세계를 연구하는 나노화학은 역설적으로 인류의 미래를 바꿀 가장 큰 가능성을 품고 있는 학문입니다.

국립과천과학관선을 넘는 과학자들🔬

물리학
화학
융합

[인터뷰] 황윤정_탄소 중립을 실현하는 고체 촉매 연구｜제31회 서울대 자연과학 공개강연_"세상을 바꾼 과학, 과학이 여는 미래"

산업 혁명 이후 인류는 탄소를 기반으로 한 에너지를 사용하여 비약적인 발전을 이루었습니다. 대량 생산 체제가 구축되면서 인류의 생활 방식은 근본적으로 변화했고, 우리가 현재 누리고 있는 모든 편리한 기술과 화학 제품들은 탄소 기반 에너지로부터 시작되었다고 해도 과언이 아닙니다. 하지만 이러한 발전의 이면에는 이산화탄소 배출량 증가라는 부작용이 뒤따랐습니다. 공기 중 이산화탄소 농도가 높아지며 발생한 온실 효과는 지구 온난화와 기후 변화라는 인류 공동의 과제를 안겨주었으며, 이제 과학자들은 이를 해결하기 위한 적극적인 연구에 매진하고 있습니다. 이산화탄소를 다시 유용한 자원으로 되돌리기 위해서는 화학 결합을 끊고 새로운 결합을 형성하는 과정이 필요합니다. 이 과정에서 투입되는 에너지를 낮추어 반응을 효율적으로 만드는 핵심 소재가 바로 촉매입니다. 특히 전기화학적 전환 기술을 활용하면 필요한 전력 소모를 획기적으로 줄이면서도 짧은 시간 안에 더 많은 화합물을 생산할 수 있습니다. 이는 자연 상태에서 수백만 년이 걸리는 탄소 순환 과정을 실험실과 산업 현장에서 실시간으로 구현하는 기술로, 탄소 중립 실현을 위한 가장 중요한 과학적 도구 중 하나로 평가받고 있습니다. 전기화학적 전환 기술을 통해 이산화탄소는 일산화탄소, 에틸렌, 에탄올과 같은 고부가가치 화합물로 재탄생합니다. 일산화탄소는 플라스틱이나 각종 연료를 합성하는 필수적인 산업 원료로 쓰이며, 에틸렌은 중합 과정을 거쳐 우리 일상에서 흔히 볼 수 있는 폴리에틸렌 제품의 기초가 됩니다. 또한 용매나 청정 연료로 활용되는 에탄올 역시 이 과정을 통해 얻을 수 있습니다. 이러한 기술적 진보는 단순히 오염 물질을 처리하는 수준을 넘어, 버려지는 탄소를 지속 가능한 자원으로 탈바꿈시켜 새로운 경제적 가치를 창출하는 데 기여합니다. 기초 과학 연구는 종종 실험실 안의 탐구에 머무는 것처럼 보이지만, 생각보다 훨씬 빠르게 세상을 바꾸는 동력이 됩니다. 2023년 노벨 화학상을 받은 양자점 연구가 대표적인 사례입니다. 입자의 크기에 따라 다른 색을 내는 이 나노 소재는 초기 연구 단계를 지나 오늘날 디스플레이와 의료 분야 등에서 널리 상용화되었습니다. 이처럼 새로운 물질을 합성하고 그 특성을 밝혀내는 과정은 인류가 이전에는 경험하지 못했던 기술적 진보를 가능하게 합니다. 과학적 발견이 산업화로 이어지는 속도는 점차 빨라지고 있으며, 이는 곧 우리가 마주하는 미래의 모습이 됩니다. 미래의 과학 기술은 단순히 편리함을 추구하는 것을 넘어 지속 가능한 사회를 만드는 데 책임을 다해야 합니다. 이를 위해 미래를 꿈꾸는 학생들은 과학적 지식뿐만 아니라 자신의 논리를 타인과 공유하고 소통하는 능력을 갖추어야 합니다. 글쓰기와 예술적 감각은 자신의 연구를 효과적으로 전달하고 창의적인 사고를 확장하는 데 필수적인 요소입니다. 이과와 문과라는 이분법적 사고에서 벗어나 다양한 분야를 경험하고 융합할 때, 비로소 인류가 직면한 복합적인 문제들을 해결하고 세상을 긍정적으로 변화시키는 진정한 과학자로 성장할 수 있습니다.

황윤정

카오스재단서울대자연과학공개강연

화학

[강연] 탄소 중립을 위한 화학의 도전_by황윤정 l 31회 서울대 자연과학 공개강연_"세상을 바꾼 과학, 과학이 여는 미래" | 3강

지속 가능한 사회란 과학 기술의 발전이 가져온 편리함과 그로 인한 부작용 사이의 균형을 찾는 과정에서 시작됩니다. 특히 기후 변화는 인류가 직면한 가장 시급한 과제로, 이를 해결하기 위해 '탄소 중립'이라는 개념이 등장했습니다. 이는 배출되는 이산화탄소의 양과 흡수 및 제거되는 양을 같게 하여 실질적인 배출량을 '0'으로 만드는 상태를 의미합니다. 단순히 탄소를 멀리하는 것이 아니라, 발생한 탄소를 어떻게 다시 활용하고 순환시킬 것인지에 대한 과학적 책임감이 요구되는 시점입니다. 1890년대 물리화학자 아레니우스는 대기 중 이산화탄소가 지표면 온도에 미치는 영향을 처음으로 논문화했습니다. 당시에는 온실효과가 식량 증산에 도움이 되는 축복으로 여겨졌으나, 산업화 이후 화석 연료 사용이 급증하며 상황은 반전되었습니다. 지난 150년간 이산화탄소 농도와 지표면 온도의 급격한 상승 사이의 상관관계가 명확히 입증되었고, 이는 더 이상 자연 현상이 아닌 인류의 활동에 의한 결과임이 확인되었습니다. 이제 적당함을 넘어선 탄소는 인류의 생존을 위협하는 재앙으로 다가오고 있습니다. 한국은 세계 10위권 안에 드는 탄소 배출국으로, 산업 구조상 철강, 석유화학, 반도체 등 에너지 집약적 산업이 경제를 이끌고 있습니다. 이러한 구조에서 무조건적인 탄소 감축은 경제 성장에 큰 타격을 줄 수 있기에, 각 산업 특성에 맞는 전략적인 중립 기술 개발이 필수적입니다. 단순히 에너지를 절약하는 차원을 넘어, 화석 연료를 대체할 재생 에너지를 도입하고 기존 공정을 혁신하는 10대 핵심 기술 선정이 이루어진 이유도 여기에 있습니다. 경제와 환경이라는 두 마리 토끼를 잡기 위한 과학적 도전이 시작된 것입니다. 재생 에너지 분야에서는 태양광과 수소가 핵심적인 역할을 합니다. 특히 한국 연구진이 강점을 가진 페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지보다 높은 효율을 목표로 하며, 유연하고 가벼운 특성을 활용해 건물 외벽 등 다양한 곳에 적용될 수 있습니다. 또한 물을 분해하여 수소를 얻는 수전해 기술은 이산화탄소 배출이 없는 청정 에너지 순환 구조를 완성하는 열쇠입니다. 비싼 백금 촉매를 대체할 저렴하고 효율적인 소재를 개발하려는 노력은 에너지 저장과 활용의 패러다임을 바꾸고 있습니다. 탄소 중립의 실질적인 완성은 이미 배출된 탄소를 포집하고 활용하는 CCUS 기술에 달려 있습니다. 이산화탄소를 단순히 저장하는 것에 그치지 않고, 이를 원료로 삼아 플라스틱, 시멘트, 혹은 연료로 전환하는 기술은 탄소 순환 사회의 핵심입니다. 현재는 경제성이나 기술적 난이도 면에서 초기 단계에 머물러 있지만, 2050년까지 전 세계 감축량의 상당 부분을 담당할 것으로 기대됩니다. 공기 중의 기체를 잡아 고부가가치 화합물로 바꾸는 이 연금술 같은 과정은 화학이 인류에게 선사할 새로운 미래입니다. 과학의 역사는 수많은 실패와 도전 끝에 얻어진 결과물입니다. 20세기 초 인류의 식량 문제를 해결한 암모니아 합성법인 하버-보슈법이 대표적인 사례입니다. 당시 많은 과학자가 재현 실패와 폭발 사고 등의 위험으로 연구를 포기했으나, 끝까지 수천 번의 촉매 탐색을 멈추지 않았던 끈기가 오늘날의 풍요를 만들었습니다. 탄소 중립 역시 지금은 불가능해 보이는 난제일 수 있지만, 과거의 사례처럼 데이터가 쌓이고 기술적 돌파구가 마련된다면 인류는 다시 한번 위기를 기회로 바꿀 수 있을 것입니다. 미래의 지구를 구하는 일은 특정 분야의 노력만으로는 불가능하며, 과학적 원리에 기반한 사회적 합의와 지속적인 관심이 필요합니다. 인공 광합성 장치를 통해 식물처럼 에너지를 생산하고, 버려지는 탄소를 자원으로 되돌리는 기술은 더 이상 공상 과학의 영역이 아닙니다. 화학자들은 주기율표 속 원소들을 조합하며 지구의 온도를 낮출 최적의 답을 찾아가고 있습니다. 이러한 과학적 도전이 지속 가능한 사회를 만드는 든든한 뿌리가 되어, 다음 세대에게 더욱 건강하고 풍요로운 지구를 물려줄 수 있기를 기대합니다.

황윤정

카오스재단서울대자연과학공개강연

화학

[연구뭐하지?] 2차원 물질을 레고처럼 켜켜이 쌓으면 일어나는 현상, 양자물질 연구_이지은 교수 | 서울대학교 “2차원 양자물질 연구실”

2차원 물질은 그래핀처럼 원자 한 층 수준의 극도로 얇은 두께를 가진 물질을 의미합니다. 이러한 물질들은 단순히 얇다는 점을 넘어, 마치 레고 블록을 쌓듯이 서로 다른 종류를 켜켜이 쌓아 올림으로써 자연계에 존재하지 않는 새로운 인공 구조체를 만들어낼 수 있다는 매력이 있습니다. 연구자들은 이처럼 새롭게 탄생한 물질군에서 나타나는 독특한 물리적 현상을 탐구하며, 기존의 한계를 뛰어넘는 새로운 물질의 가능성을 실험적으로 증명해 나가고 있습니다. 특히 응집물질물리학 분야에서는 이러한 2차원 물질을 이용해 소자를 제작하고 그 특성을 정밀하게 측정하는 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 2차원 물질 연구의 핵심 중 하나는 광학적 실험 방법을 통해 물질의 특성을 이해하는 '2D 광학' 분야입니다. 레이저를 물질에 조사한 뒤 거기서 나오는 빛을 분석하면, 물질 내부의 전자가 가진 스핀이나 밸리와 같은 양자 역학적 특성을 파악할 수 있습니다. 특히 어떤 2차원 물질은 양자화된 빛을 내뿜는 '단일 양자 광원'의 역할을 하기도 합니다. 이러한 특수한 광원은 미래의 핵심 기술인 양자 컴퓨터나 양자 통신을 구현하는 데 필수적인 요소로 꼽히며, 이를 양자 기술에 어떻게 응용할 수 있을지에 대한 가능성 연구가 심도 있게 이루어지고 있습니다. 양자 컴퓨터 기술에 대한 대중의 관심은 높지만, 실제 기술의 완성도는 아직 초기 단계에 머물러 있습니다. 많은 이들이 양자 컴퓨터가 실생활에 언제 보급될지, 얼마나 빨라질지 궁금해하지만, 사실 이 기술은 단순히 게임이나 일반적인 작업을 빠르게 하기 위한 용도는 아닙니다. 현재는 수학적으로 증명되지 않은 부분이 많고 연구해야 할 과제가 산적해 있어, 비유하자면 이제 막 걸음마를 뗀 신생아 단계라고 할 수 있습니다. 따라서 실제 우리가 양자 컴퓨터를 일상에서 자유롭게 사용하기까지는 앞으로도 수많은 연구와 시간이 필요할 것으로 보입니다. 연구실에서의 일상은 레이저를 쏘고 분광된 빛을 분석하는 정밀한 작업의 연속입니다. 같은 2D 광학 범주 안에 있더라도 연구자마다 다루는 물질이나 실험 방법, 분석하는 신호의 특성이 조금씩 다르기 때문에 각자의 영역에서 깊이 있는 전문성을 쌓게 됩니다. 이러한 환경은 동료들과 질문을 주고받으며 지식의 폭을 넓히는 계기가 되기도 합니다. 자신이 맡은 분야에 대해서는 연구실 내에서 가장 잘 아는 전문가라는 책임감을 느끼며 공부해야 하고, 동시에 타인의 연구에 관심을 가짐으로써 넓은 시야를 유지하는 것이 연구자로서의 중요한 자질이 됩니다. 성공적인 연구를 수행하기 위해서는 높은 집중력과 창의력이 요구됩니다. 연구 과정에서 마주하는 수많은 난관을 극복하기 위해서는 기존의 관점을 뒤바꾸는 창의적인 사고가 필수적이며, 짧은 시간 내에 효율적으로 성과를 내기 위한 몰입의 힘이 중요합니다. 때로는 고된 과정이 반복되어 힘들기도 하지만, 새로운 물리 현상을 발견하고 이를 이해해 나가는 과정은 마치 어려운 퀘스트를 하나씩 해결해 나가는 게임처럼 즐거움을 주기도 합니다. 이러한 연구의 결실은 향후 실생활에 유용한 양자 소자 개발로 이어져 인류의 삶에 기여할 수 있는 밑거름이 될 것입니다.

이지은

카오스재단연구뭐하지

물리학

우리나라 최초의 노벨 화학상🔗 수상자가 탄생할 뻔?!😮 2023 노벨 화학상(Nobel Prize) | 요즘과학

정보분석 기업 클래리베이트는 매년 논문 인용 횟수와 정성 분석을 통해 노벨상 수상 가능성이 높은 후보자를 발표합니다. 지금까지 예측한 후보 중 71명이 실제 노벨상을 수상하며 '노벨상 족집게'라는 명성을 얻었습니다. 2020년에는 올해 노벨 화학상 수상자인 모운지 바웬디 교수와 함께 한국의 현택환 교수가 유력 후보로 선정되기도 했습니다. 비록 이번 수상 명단에 한국인 연구자가 포함되지는 않았지만, 세계적인 수준의 연구 역량을 인정받았다는 점에서 큰 의미가 있습니다. 우리 과학계의 저력이 노벨상이라는 결실로 이어질 날이 머지않았음을 시사합니다. 양자란 전자나 빛처럼 불연속적인 에너지 상태로 운동하는 입자를 의미합니다. 원자 내부의 전자는 태양계의 행성들처럼 정해진 궤도에서만 존재하며, 외부에서 강한 에너지나 열을 받으면 궤도를 이탈해 운동하게 됩니다. 이때 전자는 연속적으로 움직이는 것이 아니라 궤도를 띄엄띄엄 건너뛰는 불연속적인 특징을 보입니다. 이러한 미시 세계의 독특한 에너지 상태와 입자의 운동을 통칭하여 양자라고 부릅니다. 우리가 일상에서 경험하는 물리 법칙과는 다른, 아주 작은 나노 세계에서만 관찰되는 현상이 바로 양자 역학의 기초가 됩니다. 양자점은 물질을 나노미터 수준으로 아주 작게 만들었을 때 양자 현상이 나타나는 입자를 말합니다. 보통 원자가 수십 개 정도 뭉치면 나노 크기가 되는데, 이때 물질은 본래 가지고 있던 성질과는 전혀 다른 새로운 특성을 보여줍니다. 예를 들어 금은 본래 황금색을 띠지만, 크기가 매우 작아지면 색깔이 변하는 등 물리적 성질이 달라집니다. 과거에는 단순히 나노입자로 불리기도 했으나, 크기에 따라 성질이 변하는 독특한 양자 역학적 특성 때문에 오늘날에는 퀀텀닷이라는 이름으로 더 널리 알려져 있습니다. 물질의 크기가 작아지면 내부의 에너지 궤도들이 겹치면서 에너지 밴드를 형성하고, 이 밴드 사이의 간격인 밴드갭이 변화합니다. 원자의 개수가 줄어들수록 밴드갭이 넓어지며, 이 차이에 따라 방출되는 빛의 색깔이 결정됩니다. 즉, 재료를 바꾸지 않고도 입자의 크기만 조절하면 원하는 색의 빛을 자유롭게 만들어낼 수 있는 것입니다. 이는 기존의 화학적 방식으로는 불가능했던 혁명적인 아이디어로, 미세한 공정 기술을 통해 입자의 크기를 정밀하게 제어함으로써 디스플레이 등 다양한 산업 분야에서 색 재현력을 극대화하는 핵심 기술이 되었습니다. 2023년 노벨 화학상은 양자점의 발견과 증명, 그리고 대량 합성 기술을 개발한 세 명의 과학자에게 돌아갔습니다. 예키모프 교수는 입자 크기에 따른 색 변화를 발견했고, 브루스 교수는 이를 실험적으로 증명했으며, 바웬디 교수는 균일한 나노입자 합성법을 확립했습니다. 현재 이 기술은 QLED TV와 같은 고성능 디스플레이에 상용화되어 있으며, 향후 차세대 태양전지나 의학용 조영제 등 활용 범위가 더욱 넓어질 전망입니다. 기초 과학의 발견이 공학적 혁신을 거쳐 우리 실생활을 풍요롭게 바꾸는 과정은 과학 기술이 가진 진정한 가치를 잘 보여줍니다.

국립과천과학관요즘과학👏

물리학
화학
융합

[강연] 양자점, 색에 대한 생각을 바꾸다_by 이광렬 | 고등과학원&카오스재단 '2023 노벨상 해설강연' | 3강

세상은 다채로운 색으로 가득 차 있지만, 이 색을 인지하기 위해서는 반드시 빛이 필요합니다. 2023년 노벨 화학상은 '양자점'이라 불리는 아주 작은 반도체 입자를 발견하고 발전시킨 세 명의 과학자에게 수여되었습니다. 양자점은 나노기술의 상징적인 물질로, 탄소 나노튜브와 함께 현대 과학의 지평을 넓힌 핵심 소재입니다. 빛의 파장과 진동수에 따라 에너지가 결정되듯, 양자점은 그 크기에 따라 독특한 광학적 성질을 나타내며 우리가 색을 이해하는 방식을 근본적으로 바꾸어 놓았습니다. 물질이 빛을 내는 원리를 이해하려면 원자 내부의 전자를 살펴봐야 합니다. 전자는 특정한 에너지 상태를 가진 '오비탈'이라는 공간에 존재하며, 높은 에너지 상태에서 낮은 상태로 이동할 때 그 차이만큼의 에너지를 빛의 형태로 방출합니다. 수소 원자의 스펙트럼이나 밤하늘의 오로라 역시 전자가 에너지를 얻었다가 다시 안정된 상태로 돌아오며 내뿜는 빛의 결과물입니다. 이러한 현상은 분자나 네트워크 구조를 가진 고체 물질에서도 동일하게 나타나며, 물질의 고유한 색을 결정하는 중요한 요인이 됩니다. 수많은 원자가 모여 네트워크를 이루면 각각의 오비탈이 겹쳐지며 '전자띠'를 형성합니다. 전자가 가득 찬 원자가띠와 비어 있는 전도띠 사이의 간격을 '띠간격'이라고 부르는데, 이 간격의 크기에 따라 도체, 반도체, 부도체가 구분됩니다. 특히 반도체는 이 간격이 가시광선 영역에 걸쳐 있어 독특한 색을 띨 수 있습니다. 하지만 전통적인 과학에서는 물질의 색을 그 물질만이 가진 고유한 성질로 정의해 왔으며, 입자의 크기가 작아질 때 나타나는 변화에 대해서는 명확한 답을 내놓지 못했습니다. 리처드 파인만은 나노세계에 숨겨진 흥미로운 현상이 많을 것이라 예견했습니다. 나노입자는 수천에서 수만 개의 원자가 뭉쳐진 아주 작은 입자로, 현미경 기술의 발달 덕분에 비로소 그 실체가 드러나기 시작했습니다. 에키모프는 유리 속에서 자라나는 반도체 입자의 크기에 따라 흡수하는 빛의 파장이 달라진다는 사실을 발견했고, 브루스는 이를 이론적으로 증명했습니다. 입자가 작아질수록 전자가 움직일 수 있는 공간이 좁아지면서 띠간격이 넓어지고, 결과적으로 더 짧은 파장의 푸른 빛을 내게 되는 것입니다. 이론적 발견을 넘어 양자점을 실제로 활용하기 위해서는 입자의 크기를 정밀하게 조절하며 합성하는 기술이 필요했습니다. 바웬디 교수는 유기 용매 속에서 계면활성제를 이용해 나노입자의 성장을 제어하는 획기적인 방법을 개발했습니다. 이를 통해 과학자들은 원하는 크기의 양자점을 자유자재로 얻을 수 있게 되었으며, 빨간색부터 보라색까지 모든 가시광선 영역의 색을 구현하는 데 성공했습니다. 이는 기초 과학의 호기심이 실험실의 성과를 거쳐 우리 손안의 실질적인 물질로 탄생하게 된 결정적인 계기가 되었습니다. 양자점 기술이 대중화된 데에는 기업의 역할이 컸습니다. 특히 삼성은 카드뮴과 같은 유해 물질을 배제하면서도 효율이 높은 양자점을 개발하고, 이를 대량 생산하는 공정을 완성하여 세계 최초로 양자점 디스플레이를 상용화했습니다. 양자점은 빛의 순도가 매우 높아 선명한 색상을 구현할 수 있으며, 백라이트의 빛을 효율적으로 변환하여 총천연색을 만들어냅니다. 이러한 상업적 성공은 나노기술이 단순한 이론에 머물지 않고 인류의 삶을 풍요롭게 만드는 혁신적인 도구로 자리 잡았음을 증명하는 사례입니다. 양자점의 응용 분야는 디스플레이를 넘어 의료 진단과 센서 기술로 확장되고 있습니다. 특정 세포에 결합하는 항체를 양자점에 부착하면 암세포의 위치를 정확히 파악하거나 적외선 투시를 통해 정밀한 수술을 돕는 등 바이오 분야에서도 혁신을 일으키고 있습니다. 이 모든 성과는 '나노입자의 띠간격은 어떠한가'라는 순수한 기초 과학적 질문에서 시작되었습니다. 미래의 과학 기술 혁신 역시 이러한 나노과학의 토대 위에서 탄생할 것이며, 새로운 세대의 과학자들이 그 주인공이 될 것입니다.

이광렬

카오스재단카오스크로스

화학

[강연] 2023 '노벨상 해설강연' by 안광석, 김경택, 이광렬 l 고등과학원&카오스재단

2023년 노벨 생리의학상은 인류를 팬데믹의 공포에서 구원한 mRNA 백신 기술에 수여되었습니다. 카탈린 카리코와 드루 와이즈만 박사는 뉴클레오사이드 염기 변형이라는 획기적인 발견을 통해 외부 mRNA가 체내에서 일으키는 과도한 염증 반응을 억제하는 데 성공했습니다. 이 기술은 단순히 코로나19 대응을 넘어 암 치료와 유전병 극복을 위한 차세대 의학 혁명의 토대를 마련했다는 점에서 그 가치가 매우 높습니다. 카탈린 카리코 박사의 여정은 과학적 집념이 무엇인지 보여줍니다. 그녀는 연구비 중단과 해고라는 모진 시련 속에서도 mRNA 치료제에 대한 확신을 굽히지 않았습니다. 슈도우리딘을 이용한 염기 변형 기술은 당시 학계에서 외면받았으나, 결국 단백질 생산 효율을 높이고 면역 거부 반응을 해결하는 열쇠가 되었습니다. 한 과학자의 끈질긴 인내심이 전 세계 수백만 명의 생명을 구하는 기적으로 이어진 셈입니다. 물리학 분야에서는 찰나의 순간을 포착하려는 인류의 도전이 결실을 맺었습니다. 아토초 펄스는 100경 분의 1초라는 상상조차 하기 힘든 짧은 시간 폭을 가진 빛입니다. 이는 원자 내부에서 빛의 속도에 가깝게 움직이는 전자의 역학을 관찰할 수 있게 해주는 유일한 도구입니다. 아토초 과학의 등장은 정지된 사진처럼 전자의 움직임을 포착함으로써 물질의 근본적인 성질을 이해하는 새로운 지평을 열었습니다. 아토초 펄스 생성의 핵심은 고차 조화파라는 현상에 있습니다. 초강력 레이저를 기체 원자에 쏘아 전자를 이온화시키고 다시 결합하는 과정에서 발생하는 이 빛은 기존 펨토초 레이저의 한계를 뛰어넘었습니다. 피에르 아고스티니, 페렌츠 크라우스, 안 릴리에 교수는 실험적 방법을 통해 단일 아토초 펄스를 측정하고 제어하는 데 성공했습니다. 이로써 인류는 미시 세계의 초고속 현상을 직접 제어할 수 있는 능력을 갖추게 되었습니다. 노벨 화학상은 나노 세계의 보석이라 불리는 양자점의 발견과 발전에 돌아갔습니다. 양자점은 크기에 따라 방출하는 빛의 색깔이 변하는 독특한 반도체 결정입니다. 이는 '물질의 색은 고유한 성질'이라는 기존의 상식을 뒤엎는 발견이었습니다. 입자의 크기를 조절하는 것만으로도 빨간색부터 파란색까지 모든 가시광선 영역의 색을 구현할 수 있게 된 것입니다. 이러한 양자 역학적 특성은 나노 기술의 무한한 가능성을 상징합니다. 양자점 기술이 실험실을 넘어 우리 삶에 들어오기까지는 정밀한 합성 기술의 발전이 필수적이었습니다. 문지 바웬디 교수는 유기 용매 내에서 균일한 크기의 양자점을 대량으로 생산할 수 있는 공정을 확립했습니다. 이후 이 기술은 디스플레이 산업과 결합하여 QLED TV와 같은 상업적 성공으로 이어졌습니다. 기초 과학의 호기심에서 시작된 연구가 기업의 기술력과 만나 인류의 삶을 풍요롭게 만드는 선순환 구조를 보여준 대표적 사례입니다. 2023년 노벨상 수상 업적들은 공통적으로 수십 년에 걸친 기초 과학 연구의 중요성을 시사합니다. 당장의 경제적 이익이나 가시적인 성과에 매몰되지 않고, 자연의 근본 원리를 탐구하는 과학자들의 순수한 열정이 혁신의 원동력이 되었습니다. 과학은 단거리 경주가 아니라 긴 호흡으로 이어지는 마라톤과 같습니다. 기초 과학에 대한 지속적인 관심과 인내심 있는 지원만이 인류의 미래를 밝히는 새로운 발견을 가능하게 할 것입니다.

김경택, 안광석, 이광렬

카오스재단카오스크로스

물리학
화학
생명과학

원소의 모든 것을 파헤친다🧐 희귀동위원소를 찾아라! 👨‍🔬중이온가속기 RAONㅣ해썰이 있는 과학뉴스

우리가 흔히 접하는 주기율표에는 118개의 원소가 기록되어 있지만, 자연계에는 아직 우리가 발견하지 못한 수많은 '희귀 동위원소'가 존재합니다. 동위원소란 양성자의 수는 같지만 중성자의 수가 다른 원소를 말하는데, 이 중 일부는 수명이 매우 짧아 순식간에 사라지기 때문에 관측하기가 매우 어렵습니다. 이러한 미지의 영역을 탐구하기 위해 대전 국제과학비즈니스벨트에는 중이온가속기연구소가 설립되었습니다. 이곳에서는 인위적으로 입자를 충돌시켜 자연 상태에서 보기 힘든 희귀 동위원소를 생성하고 그 성질을 연구함으로써 우주의 비밀에 한 걸음 더 다가가고자 노력하고 있습니다. 중이온가속기 '라온(RAON)'은 희귀 동위원소를 만들어내기 위해 두 가지 혁신적인 방식을 동시에 사용합니다. 가벼운 입자를 무거운 입자에 충돌시켜 많은 양의 희귀 동위원소를 얻는 ISOL 방식과, 무거운 입자를 가벼운 입자에 충돌시켜 짧은 순간 존재하는 다양한 종류의 동위원소를 관측하는 IF 방식이 그것입니다. 전 세계의 다른 가속기들이 대개 한 가지 방식만을 채택하고 있는 것과 달리, 라온은 이 두 방식을 결합하여 세계 최초로 설계되었습니다. 이러한 독창적인 구조 덕분에 라온은 희귀 동위원소 발견의 효율성을 극대화할 수 있으며, 기초과학 연구의 새로운 지평을 열 것으로 기대받고 있습니다. 가속기는 가속하는 입자의 종류와 활용 목적에 따라 여러 형태로 나뉩니다. 양성자가속기는 양성자를 충돌시켜 우주 탄생의 기원을 연구하거나 암세포를 사멸시키는 의료용으로 활용됩니다. 중입자가속기 역시 암 치료에 탁월한 성능을 보이는데, 특히 피부 깊숙한 곳에 위치한 암세포에만 에너지를 집중시켜 주변 조직의 손상을 최소화하는 장점이 있습니다. 이처럼 가속기 기술은 단순히 물리적 충돌을 넘어 생명 연장을 위한 첨단 의료 기술로도 그 가치를 인정받고 있습니다. 기초과학의 성과가 실생활의 문제를 해결하는 강력한 도구로 변모하고 있는 셈입니다. 전자를 가속시켜 발생하는 강력한 빛을 이용하는 방사광가속기는 일종의 '거대한 현미경' 역할을 수행합니다. 여기서 발생하는 빛은 품질이 매우 뛰어나 0.1나노미터 수준의 미세한 구조까지 구별해낼 수 있습니다. 과학자들은 이 빛을 활용해 단백질의 복잡한 구조를 파악하거나 나노 수준의 신물질 내부를 정밀하게 관찰합니다. 이는 앞서 언급한 다른 가속기들이 입자의 충돌과 붕괴에 집중하는 것과는 차별화된 특징입니다. 미세 세계를 시각화하는 방사광가속기의 능력은 생명공학과 재료공학 분야에서 혁신적인 연구 결과를 도출하는 데 핵심적인 기여를 하고 있습니다. 기초과학 연구에 투입되는 막대한 예산은 당장의 경제적 이익보다 인류의 지식 지평을 넓히는 데 그 목적이 있습니다. 과거 상대성 이론이나 양자역학이 순수한 호기심에서 시작되어 오늘날의 GPS와 반도체 기술을 탄생시켰듯, 중이온가속기 연구 역시 미래의 세상을 바꿀 잠재력을 품고 있습니다. 라온을 통해 발견될 새로운 희귀 동위원소들은 신물질 개발이나 우주 기원 규명에 결정적인 단서를 제공할 것입니다. 수많은 시행착오 끝에 본격적인 가동을 앞둔 라온이 우리나라 기초과학의 위상을 높이고, 나아가 노벨상 수상이라는 결실로 이어지기를 전 세계 과학계가 주목하고 있습니다.

국립과천과학관요즘과학👏

물리학
융합

새로운 기술이 필요해?😏 힌트는 자연에 있어! 식물🌳 생체모방기술ㅣ해썰이 있는 과학뉴스

자연의 지혜를 기술로 승화시키는 생체모방 기술은 우리 생활 곳곳에 깊숙이 스며들어 있습니다. 최근 국내 연구진은 식충식물인 네펜데스의 독특한 생체 기능을 모방하여 해양 기름 유출 사고를 해결할 혁신적인 기름 뜰채를 개발했습니다. 네펜데스는 잎이 변형된 주머니 형태의 포충낭을 통해 곤충을 잡아 영양분을 보충하는데, 이 주머니 내벽에는 미세한 섬모들이 있어 물과 결합해 아주 미끄러운 수막을 형성합니다. 연구진은 이 원리를 응용해 물은 통과시키고 기름만 효과적으로 걸러내는 나노 섬모 구조의 뜰채를 제작하는 데 성공했습니다. 기존의 해상 기름 제거 방식은 주로 일회용 흡착포를 사용해왔으나, 이는 사용 후 소각 과정에서 이산화탄소를 배출하고 막대한 폐기물을 발생시키는 단점이 있었습니다. 반면 네펜데스의 수막 원리를 적용한 기름 뜰채는 표면에 기름이 달라붙지 않아 세척이 용이하며 반영구적으로 사용할 수 있다는 큰 장점이 있습니다. 이는 방제 작업의 효율성을 획기적으로 높일 뿐만 아니라 환경 오염을 최소화하는 친환경적인 대안으로 주목받고 있습니다. 과거 태안 원유 유출 사고와 같은 재난 상황에서 이 기술이 적용된다면 더욱 신속하고 효과적인 대응이 가능해질 것입니다. 식충식물에 대한 흔한 오해 중 하나는 이들이 오직 곤충만을 섭취하며 살아간다는 점입니다. 하지만 식충식물 역시 일반 식물과 마찬가지로 광합성을 통해 스스로 에너지를 생산합니다. 다만 이들이 주로 서식하는 열대 지방의 토양은 질소 성분이 매우 부족하기 때문에, 생존에 필요한 영양분을 보충하고자 곤충이나 작은 동물의 사체로부터 질소를 흡수하도록 진화한 것입니다. 포획 방식에 따라 네펜데스와 같은 주머니형부터 파리지옥 같은 포획형, 끈끈이주걱 같은 포도형 등 다양한 형태로 나뉘며, 이러한 독특한 생존 전략은 현대 과학자들에게 새로운 기술적 영감을 제공합니다. 기후 위기로 인한 물 부족 문제가 심화되면서 바닷물을 생활용수로 바꾸는 해수 담수화 기술의 중요성도 커지고 있습니다. 여기서도 식물의 지혜가 빛을 발하는데, 바로 열대 해안가에서 자라는 맹그로브 나무의 뿌리입니다. 맹그로브는 소금기가 가득한 바닷속에서도 염분을 효과적으로 걸러내고 깨끗한 물만 흡수하는 천연 필터 기능을 갖추고 있습니다. 국내 연구진은 맹그로브 뿌리의 정전기적 특성을 모방하여 별도의 에너지 투입 없이도 높은 효율로 염분을 제거할 수 있는 여과막을 개발했습니다. 이는 기존 방식보다 에너지 소모가 적어 탄소 배출을 줄이는 데 크게 기여할 수 있습니다. 생체모방 기술의 또 다른 핵심 분야는 탄소 중립 실현을 위한 인공 광합성 연구입니다. 식물이 태양광과 이산화탄소를 이용해 유기물을 만들어내듯, 인공 광합성은 대기 중의 온실가스를 포집하여 메탄올이나 플라스틱 원료인 올레핀과 같은 유용한 자원으로 전환하는 기술입니다. 현재 지구상 화학 물질의 대부분이 탄소 기반이라는 점을 고려할 때, 이 기술은 환경 오염원을 줄이는 동시에 산업에 필요한 자원을 확보할 수 있는 일석이조의 해법이 됩니다. 겉으로 보기엔 정적인 식물들이 가진 저마다의 생존 무기가 인류의 지속 가능한 미래를 여는 핵심 열쇠가 되고 있는 셈입니다.

국립과천과학관요즘과학👏

생명과학
지구환경과학
융합

[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

[카오스 짧강] 나노 융합 연구의 최첨단, 분자전자학_by윤효재｜2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 8강

분자 전자학은 나노과학과 전자공학이 만나는 지점에서 탄생한 혁신적인 분야입니다. 이 학문의 배경에는 인텔의 공동 설립자인 고든 무어가 1965년에 제시한 '무어의 법칙'이 자리 잡고 있습니다. 그는 전자기기의 소형화와 고성능화에 대한 소비자의 요구를 충족하기 위해 반도체 칩의 집적도가 24개월마다 두 배씩 증가할 것이라고 예측했습니다. 하지만 공간은 한정되어 있기에 트랜지스터의 크기를 무한정 줄이는 데에는 기술적 한계가 따를 수밖에 없었습니다. 이러한 물리적 한계를 극복하기 위해 과학자들은 분자 수준에서 해답을 찾기 시작했습니다. 1974년 이론 화학자 마크 레트너 교수는 분자 하나를 전자 소자로 활용하자는 파격적인 제안을 담은 논문을 발표했습니다. 그는 전자를 주고받을 수 있는 화학 작용기를 가진 분자를 두 전극 사이에 샌드위치처럼 배치하면, 분자가 다이오드와 같은 역할을 수행할 수 있다고 주장했습니다. 이는 기존의 센티미터나 밀리미터 단위의 전자 부품을 나노미터 크기로 줄일 수 있음을 의미했습니다. 이러한 소형화가 실현된다면 혈관 속을 누비며 질병을 치료하는 나노 로봇이나 나노 모터와 같은 공상과학 영화 속 기술들이 현실이 될 수 있는 토대가 마련되는 것입니다. 레트너 교수의 혁신적인 아이디어는 1980년대 IBM에서 개발된 주사형 탐침 현미경(SPM) 기술과 만나며 비약적인 발전을 이루었습니다. 원자 힘 현미경(AFM)과 주사 터널링 현미경(STM)의 등장은 인류가 개별 분자를 직접 관찰하고 조절할 수 있는 시대를 열어주었습니다. 이론에만 머물렀던 분자 전자 소자가 공학적 분석 기술과 융합되면서 실제 구현 가능한 영역으로 들어온 것입니다. 이후 유기 화학자들은 다양한 분자를 합성하기 시작했고, 이를 통해 다이오드뿐만 아니라 메모리와 트랜지스터 등 현대 전자공학의 핵심 부품들을 분자 단위에서 재현하는 데 성공했습니다. 2000년대에 들어서며 분자 전자학은 신소재 공학과 접목되어 또 한 번의 도약을 이뤄냈습니다. 특히 2010년 노벨 물리학상의 주인공인 그래핀은 뛰어난 전기 전도성을 바탕으로 유기 분자 소자의 내구성을 획기적으로 높이는 전극 물질로 주목받았습니다. 또한 영화 속 액체 로봇에서 영감을 얻은 액체 금속 기술은 고체 전극의 한계를 극복하며 분자 전자 소자의 구현 가능성을 한층 높여주었습니다. 이러한 소재의 혁신은 분자 전자 소자가 실험실의 연구 단계를 넘어 실제 응용 가능한 기술로 진화하는 데 결정적인 역할을 하고 있습니다. 오늘날 분자 전자학은 화학, 기계공학, 생명공학 등 다양한 학문이 어우러지는 융합 연구의 중심지가 되었습니다. 뇌의 구조를 모방한 전자 소자 개발부터 복잡한 사회 문제를 해결하기 위한 고도의 기술적 도전까지, 나노과학은 여러 분야를 잇는 교집합 역할을 수행하고 있습니다. 현대 과학의 복잡한 과제들은 더 이상 한 분야의 노력만으로는 해결하기 어렵기에, 다양한 전문가들의 협력과 팀워크가 필수적입니다. 분자라는 가장 작은 단위체에서 시작된 이 여정은 결국 인류가 꿈꾸던 기술적 한계를 돌파하고 새로운 미래를 여는 열쇠가 될 것입니다.

카오스재단질토과 + 짧강

[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

[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

[질문Q] 사진기로 분자를 절대 찍을 수 없는 이유 | 2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 5강

우리가 미시 세계를 관찰할 때 렌즈의 배율을 무한히 높인다고 해서 모든 것을 볼 수 있는 것은 아닙니다. 빛에는 회절이라는 현상이 존재하기 때문에, 광학 현미경으로 볼 수 있는 크기에는 근본적인 한계가 따릅니다. 보통 우리가 사용하는 가시광선의 파장을 고려하면, 그 절반 정도인 수백 나노미터가 관찰 가능한 최소 크기가 됩니다. 하지만 실제 분자의 크기는 약 1나노미터에 불과하여 일반적인 사진기나 렌즈 시스템으로는 그 형상을 직접 포착하기가 매우 어렵습니다. 분자 수준의 미세한 구조를 정밀하게 보기 위해서는 빛 대신 전자를 이용하는 전자현미경이 필요합니다. 전자를 활용하면 1나노미터 수준까지 관찰이 가능하지만, 이는 진공 상태와 특수 장비를 요구한다는 제약이 있습니다. 한편, 소리는 매질을 통해 전달되므로 진공 상태에서는 소닉붐과 같은 현상이 일어나지 않습니다. 분자가 진공 속을 이동할 때는 공기와 같은 매질이 없기 때문에 음속을 돌파하더라도 소리와 관련된 물리적 충격파는 발생하지 않는 원리입니다. 기체 분자들은 초당 수백 미터에 달하는 빠른 속도로 움직이지만, 실제 이동 거리는 그리 길지 않습니다. 분자들이 끊임없이 서로 충돌하며 방향을 바꾸기 때문인데, 보통 0.1마이크로미터를 갈 때마다 한 번씩 부딪힐 정도로 빈번합니다. 향수를 뿌렸을 때 향기가 공간 전체로 퍼지는 데 시간이 걸리는 이유도 바로 이러한 확산 과정에서의 잦은 충돌 때문입니다. 분자들은 확률에 따라 속도가 변하며 복잡한 경로를 거쳐 서서히 주변으로 퍼져나가게 됩니다. 우리가 일상에서 접하는 물질 중에는 향긋한 냄새를 풍기지만 인체에 치명적인 것들이 있습니다. 대표적으로 새집증후군의 원인인 폼알데하이드나 두통을 유발하는 아세트알데하이드가 이에 해당합니다. 화학적 관점에서 볼 때, 휘발성이 강해 호흡기로 쉽게 유입되거나 반응성이 높은 물질들은 건강에 위험을 초래할 가능성이 큽니다. 이러한 물질들이 체내 대사 과정에서 구체적으로 어떤 부작용을 일으키는지 이해하려면 생물학적, 의학적 관점에서의 접근이 병행되어야 합니다. 분자의 운동 에너지를 제어하는 기술은 현대 과학의 중요한 화두입니다. 분자의 빠른 운동은 높은 온도를 의미하며, 광학 집게와 같은 레이저 기술을 이용해 분자의 움직임을 멈추게 하는 것을 냉각에 비유하기도 합니다. 현재는 전자를 충돌시켜 분자의 모양을 유추하지만, 이는 분자 구조를 파괴할 수 있다는 단점이 있습니다. 앞으로 분자를 손상시키지 않고 살아있는 생체 내부에서 그 움직임을 직접 관찰할 수 있는 기술이 개발된다면 의학 분야에 혁신적인 변화가 일어날 것입니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[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

[강연] 얼음과학 : 스케이팅에서 투명전극까지 by박문정ㅣ2021 '대한민국 과학기술대전' 네번째 | 4강

포스텍 화학과 박문정 교수는 에너지 나노 재료 연구의 일환으로 '얼음 화학'이라는 새로운 학문 분야를 개척하고 있습니다. 이공계 여학생 비율이 10%도 되지 않던 시절부터 연구의 길을 걸어온 그는, 현재 포스텍에서 다양한 나노 재료를 연구하며 과학의 대중화에도 힘쓰고 있습니다. 특히 얼음이라는 친숙한 소재 속에 숨겨진 독특한 화학적 성질을 탐구하여 에너지와 환경 문제를 해결할 수 있는 혁신적인 방안을 제시하고자 노력하고 있습니다. 겨울철 빙판길이 왜 미끄러운지에 대한 질문은 1800년대부터 시작된 오래된 과학적 난제였습니다. 과거에는 스케이트 날의 강한 압력으로 인해 얼음이 녹는다는 '압력 융해' 가설이나, 마찰에 의해 발생하는 열이 얼음을 녹인다는 '마찰열' 가설이 지배적이었습니다. 하지만 이러한 가설들은 아주 낮은 온도에서 얼음이 미끄러운 이유를 완벽하게 설명하지 못했습니다. 최근 연구에 따르면 이러한 현상들은 미끄러움의 일부 원인일 뿐, 근본적인 이유는 따로 있음이 밝혀졌습니다. 1850년 마이클 패러데이는 얼음 표면에 항상 얇은 물층이 존재한다는 직관적인 가설을 세웠으나, 당시 기술로는 이를 증명할 수 없어 오랜 시간 무시되었습니다. 그러나 최근 5년 사이의 정밀한 측정을 통해 얼음 표면에는 '준액체층(Quasi-Liquid Layer)'이라 불리는 나노미터 두께의 독특한 물층이 존재한다는 사실이 입증되었습니다. 이 층은 일반적인 액체 물과는 다른 화학적 특성을 지니며, 분자의 확산 속도가 매우 빨라 독특한 화학 반응의 장이 됩니다. 얼음 표면의 준액체층에서는 상온의 물에서보다 훨씬 빠른 속도로 화학 반응이 일어납니다. 예를 들어 강물이 얼어붙으면 그 표면에서 유해 물질인 질산이 생성되는 반응이 평소보다 수만 배 빠르게 진행되어 생태계에 영향을 주기도 합니다. 또한 물을 얼릴 때 미네랄 성분이 얼음 결정 밖으로 밀려나 특정 부분에 농축되는 현상도 발생합니다. 이러한 특성은 우리가 일상에서 마시는 얼음물의 성분이 시간에 따라 달라질 수 있음을 시사하며, 환경 오염 분석에도 중요한 지표가 됩니다. 연구팀은 얼음 표면의 얇은 액체 층을 '나노 반응기'로 활용하여 전기가 통하는 플라스틱인 전도성 고분자를 합성하는 데 성공했습니다. 얼음 위에 원료를 뿌리고 단 몇 분만 기다리면 친환경적이고 경제적인 방식으로 고성능 전극 재료를 만들 수 있습니다. 이 방식은 기존의 복잡하고 독성이 강한 공정을 대체할 수 있으며, 투명하고 유연한 전극을 대면적으로 제작할 수 있다는 장점이 있습니다. 이는 차세대 배터리나 태양 전지 등 에너지 소자 분야에 혁신적인 변화를 가져올 기술입니다. 얼음 화학 기술은 환경 오염 문제 해결에도 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 미세플라스틱이 섞인 물을 얼리면 플라스틱 입자들이 얼음 표면으로 농축되는데, 이때 전도성 고분자를 합성하여 이를 효과적으로 닦아낼 수 있습니다. 또한 이 과정에서 생성된 다공성 고분자 구조는 정전기적 인력을 통해 코로나바이러스와 같은 유해 입자를 높은 효율로 포집하는 필터로 활용될 수 있습니다. 이는 단순한 기초 과학 연구가 실생활의 안전을 지키는 기술로 확장될 수 있음을 보여줍니다. 나아가 얼음 위에서 제작된 특수 고분자 소재는 전기적 신호에 따라 수축과 이완을 반복하는 인공 근육으로 응용되고 있습니다. 이는 재활이 필요한 환자들의 보행을 돕는 보조 장치나, 가상 현실에서 정교한 움직임을 감지하는 웨어러블 센서 제작에 활용될 수 있습니다. 얼음이라는 자연적인 소재에서 시작된 창의적인 아이디어가 첨단 나노 기술과 결합하여 의료, 스포츠, IT 등 다양한 산업 분야에서 인류의 삶의 질을 향상시키는 미래 기술로 거듭나고 있는 것입니다.

박문정

카오스재단카오스크로스

화학

[강연] 어떻게 세계적인 연구를 할까? by 현택환 ㅣ기초과학연구원(IBS) x 카오스재단 기초과학 석학 강연 '새로운 발견을 위한 과학' | 2강

나노기술은 현대 과학의 한계를 극복하는 결정적인 '도우미' 역할을 수행합니다. 21세기의 핵심 기반 기술인 나노기술은 우리 일상에 이미 깊숙이 들어와 있습니다. 삼성전자의 퀀텀닷 TV는 반도체 나노입자인 양자점을 기초로 하며, 우리가 접한 mRNA 백신 역시 지질 나노입자 기술이 없었다면 불가능했을 결과물입니다. 이처럼 나노기술은 보이지 않는 작은 세계에서 시작되어 인류의 건강과 기술적 진보를 이끄는 거대한 변화를 만들어내고 있습니다. 나노입자 연구에서 가장 중요한 과제 중 하나는 입자의 크기를 균일하게 만드는 것입니다. 나노 크기에서는 입자의 크기가 작아짐에 따라 에너지 상태가 변하는 독특한 성질이 나타나기 때문입니다. 예를 들어 반도체 나노입자는 크기에 따라 방출하는 빛의 색깔이 달라지는데, 입자들이 제각각이면 선명한 색을 얻을 수 없습니다. 따라서 나노입자를 똑같은 크기로 정밀하게 합성하는 기술은 고성능 디스플레이나 정밀 의료 기기 구현을 위한 필수적인 토대가 됩니다. 과거에는 균일한 나노입자를 얻기 위해 뜨거운 용매에 반응물을 주입하는 방식을 사용했으나, 이는 대량 생산에 한계가 있었습니다. 이를 해결하기 위해 개발된 '승온법(Heat-up process)'은 상온에서부터 서서히 온도를 올려 입자를 합성하는 혁신적인 방법입니다. 이 공정은 별도의 분리 과정 없이도 균일한 입자를 대량으로 찍어낼 수 있게 해주었습니다. 이러한 연구 성과는 전 세계 실험실의 표준 레시피가 되었으며, 대한민국 나노 연구가 세계 정상급 수준으로 도약하는 계기가 되었습니다. 세계적인 연구 성과를 내기 위해서는 기존 연구의 흐름을 파악하고 아직 해결되지 않은 핵심 이슈를 찾아내는 통찰력이 필요합니다. 새로운 아이디어는 무(無)에서 창조되는 것이 아니라, 최신 논문들을 깊이 있게 읽으며 타인의 기발한 생각을 자신의 연구에 적용해보는 과정에서 탄생합니다. 또한 떠오르는 영감을 즉시 기록하는 습관은 매우 중요합니다. 찰나의 아이디어를 놓치지 않고 메모하며 고민을 거듭하는 태도가 과학적 발견의 시작점이 되기 때문입니다. 과학자의 길은 항상 탄탄대로일 수 없으며, 때로는 수년간 결과가 나오지 않는 시련의 시기를 겪기도 합니다. 하지만 대나무가 마디를 만들며 튼튼하게 자라듯, 연구에서의 실패와 고통은 과학자를 더욱 단단하게 만드는 자양분이 됩니다. 극심한 슬럼프 속에서도 포기하지 않고 도서관에서 수많은 자료를 뒤적이며 해답을 찾으려 노력했던 시간은 결국 새로운 물질을 발견하는 밑거름이 되었습니다. 시련을 극복하는 끈기야말로 위대한 발견을 향한 필수적인 과정이라 할 수 있습니다. 현대 과학은 한 명의 천재가 이끄는 시대를 지나, 다양한 분야의 전문가들이 협력하는 융합의 시대로 접어들었습니다. 복잡한 난제들을 해결하기 위해서는 생물학자, 화학자, 공학자들이 서로의 지식을 나누고 부대끼며 연구해야 합니다. 따라서 연구자에게는 뛰어난 실력 못지않게 타인을 배려하고 소통하는 인성이 요구됩니다. 함께 일하는 즐거움을 알고 동료와 시너지를 낼 수 있는 태도가 뒷받침될 때, 비로소 세상을 감동시킬 수 있는 진정한 의미의 세계적인 연구가 완성됩니다. 기초과학연구원(IBS)과 같은 연구 기관들은 세계적인 수준의 연구 환경을 제공하며 대한민국 과학의 미래를 밝히고 있습니다. 지난 10년간의 집중적인 투자를 통해 우리나라는 나노입자 분야에서 명실상부한 세계 1위의 경쟁력을 확보하게 되었습니다. 앞으로도 젊은 과학자들이 실패를 두려워하지 않고 새로운 영역에 도전할 수 있는 토양이 지속적으로 마련되어야 합니다. 이러한 노력이 결실을 맺을 때, 우리 곁에서 노벨상 수상자에 버금가는 위대한 과학자들이 계속해서 배출될 것입니다.

현택환

카오스재단카오스크로스

화학
융합

[강연] '새로운 발견을 위한 과학' by 염한웅, 현택환, 명경재 l IBS x KAOS 기초과학 석학 강연

기초과학연구원(IBS) 설립 10주년과 카오스 재단의 설립을 기념하는 이번 강연은 '새로운 발견을 위한 과학'이라는 주제로 진행되었습니다. 기초과학은 인류의 지식 지평을 넓히는 핵심적인 역할을 수행하며, 이번 행사는 세계적인 석학들이 모여 그간의 연구 성과와 미래 비전을 공유하는 뜻깊은 자리였습니다. 수학, 물리, 화학, 생명과학 등 다양한 분야의 융합을 통해 우리 삶을 변화시킬 새로운 가능성을 모색하는 과정은 과학이 단순한 지식의 나열이 아닌, 인류의 미래를 설계하는 도구임을 다시 한번 확인시켜 주었습니다. 생명체의 설계도인 DNA는 네 개의 염기서열로 구성되어 방대한 유전정보를 저장합니다. 하지만 이 정보는 외부 자극이나 복제 과정에서의 오류로 인해 끊임없이 손상될 위험에 처해 있습니다. 유전체 항상성 연구는 이러한 손상을 복구하고 유전정보를 안정적으로 유지하는 생명체의 노력을 탐구합니다. DNA 수선 기작이 제대로 작동하지 않으면 암이나 노화와 같은 심각한 질병으로 이어질 수 있기에, 이를 정밀하게 이해하는 것은 생명과학의 근본적인 과제이자 질병 정복을 위한 첫걸음이 됩니다. 암세포만을 선택적으로 제거하기 위한 혁신적인 기술인 '신델라(CINDELA)'는 유전자 가위를 활용하여 암세포 특유의 유전적 변이인 인델(Indel)을 타격합니다. 기존의 방사선이나 항암 치료가 정상 세포까지 손상시키는 한계를 극복하기 위해, 암세포에만 존재하는 특정 염기서열을 정밀하게 찾아내어 절단함으로써 암세포의 사멸을 유도합니다. 이는 환자 개개인의 유전정보를 분석하여 맞춤형 치료제를 제작하는 정밀 의료의 시대를 열어줄 것으로 기대되며, 기초과학의 발견이 어떻게 실질적인 의료 혁신으로 이어지는지를 보여주는 사례입니다. 현대 정보통신 문명의 핵심인 반도체 기술은 트랜지스터의 미세화가 한계에 다다르며 전력 소모와 발열이라는 거대한 장벽에 직면해 있습니다. 원자 수준의 크기에서는 기존의 물리법칙만으로는 소자를 제어하기 어려워지며, 이를 해결하기 위해 에너지 손실 없이 정보를 전달하고 처리할 수 있는 새로운 패러다임이 요구됩니다. 저항에 의한 에너지 낭비를 최소화하고 한 번의 충전으로 훨씬 오랜 시간 사용할 수 있는 차세대 소자 개발은 지속 가능한 미래 기술 사회를 구현하기 위한 물리학계의 핵심적인 도전 과제입니다. ‘솔리토닉스’는 에너지를 잃지 않고 모양을 유지하며 진행하는 특수한 파동인 솔리톤을 정보 처리의 매개체로 활용하는 기술입니다. 전자계 내에서 발생하는 솔리톤은 저항 없이 움직일 수 있을 뿐만 아니라, 입자 간의 상호작용을 통해 다진법 연산을 수행할 수 있는 잠재력을 지니고 있습니다. 이는 기존의 이진법 체계를 넘어선 획기적인 연산 방식을 가능하게 하며, 소자 구조의 복잡성을 줄이면서도 연산 효율을 극대화할 수 있는 길을 제시합니다. 한국 연구진이 주도하는 이 분야의 연구는 미래 반도체 시장의 판도를 바꿀 게임 체인저가 될 것입니다. 나노과학 분야에서는 입자의 크기를 균일하게 조절하는 것이 성능을 결정짓는 핵심 요소입니다. '승온법'과 같은 혁신적인 합성 기술은 복잡한 분리 과정 없이도 고품질의 나노입자를 대량으로 생산할 수 있는 길을 열었으며, 이는 디스플레이와 백신 등 다양한 산업 분야에 응용되고 있습니다. 세계적인 연구 성과는 단순히 천재적인 영감에서 오는 것이 아니라, 수많은 논문을 읽고 분석하며 기존 지식을 창의적으로 재조합하는 인내의 과정에서 탄생합니다. 또한, 다양한 분야의 전문가들이 협력하는 융합 연구는 현대과학의 복잡한 난제를 해결하는 열쇠가 됩니다. 새로운 발견을 향한 여정은 남들이 가지 않은 길을 두려워하지 않고 끈기 있게 탐구하는 자세에서 시작됩니다. 기초과학 연구는 당장의 가시적인 성과보다 인류의 근원적인 질문에 답하고 미래의 기술적 토대를 마련하는 데 중점을 둡니다. 과학자와 대중 사이의 활발한 소통은 과학적 사실에 기반한 합리적인 사회를 만드는 밑거름이 되며, 연구에 대한 국민적 지지는 과학 기술 발전을 지속시키는 원동력이 됩니다. 지난 10년의 성과를 바탕으로 앞으로의 기초과학은 인류의 삶을 더욱 풍요롭고 건강하게 만드는 새로운 발견의 시대를 열어갈 것입니다.

명경재, 염한웅, 현택환

카오스재단카오스크로스

물리학
화학
생명과학
융합

[강연] 표면에서 일어나는 화학 반응의 세계 _ by이현주ㅣ2021 가을 카오스강연 '과학의 희열' 6강 | 6강

현대 화학 산업은 거대한 전환점을 맞이하고 있습니다. 과거에는 땅속의 석유를 채굴하여 연료와 플라스틱을 대량 생산하는 모델이 주를 이루었으나, 이제는 이산화탄소 배출로 인한 기후 변화 문제가 심각한 화두로 떠올랐습니다. 탄소세 부과와 전기차 시장의 급격한 팽창은 기존 정유 및 화학 업계에 큰 변화를 요구하고 있습니다. 이러한 흐름 속에서 인류는 더 이상 자원 고갈 때문이 아니라, 지구 환경을 보호하기 위해 석유를 대체할 새로운 자원을 찾아야 하는 과제에 직면해 있습니다. 석유의 대안으로 주목받는 자원에는 바이오매스, 태양광, 풍력 에너지 등이 있습니다. 특히 태양광이나 풍력으로 생산된 전기를 이용해 물을 분해하여 수소를 얻고, 이를 이산화탄소와 결합해 유용한 화합물을 만드는 기술이 활발히 연구되고 있습니다. 미래의 화학 산업은 특정 지역에서 대량 생산하여 전 세계로 보급하던 방식에서 벗어나, 지역별 자원 특성에 맞춰 필요한 제품을 즉석에서 생산하고 소비하는 분산형 모델로 진화할 것입니다. 이러한 변화의 중심에는 화학 반응을 조절하는 촉매 기술이 자리 잡고 있습니다. 촉매는 화학 반응이 일어나는 데 필요한 활성화 에너지를 낮추어 반응 속도를 조절하는 물질입니다. 일상적인 조건에서는 반응물이 생성물로 변하기 위해 매우 높은 활성화 에너지 장벽을 넘어야 하지만, 촉매는 이 과정을 안정화하여 더 적은 에너지로도 반응이 진행되도록 돕습니다. 촉매는 크게 균일계, 불균일계, 효소 등으로 나뉘는데, 그중에서도 고체 상태의 촉매를 사용하는 불균일계 촉매는 산업 현장에서 가장 널리 쓰입니다. 이는 공정 관리가 용이하고 대량 생산에 적합하여 현대 화학 공장의 핵심적인 역할을 수행합니다. 불균일계 촉매의 핵심은 표면 반응에 있습니다. 반응은 촉매의 표면에서만 일어나기 때문에, 비싼 귀금속인 백금 등을 사용할 때는 표면적을 극대화하는 것이 경제적으로 매우 중요합니다. 나노 기술을 활용해 금속을 수 나노미터 크기의 입자로 만들면 표면적을 수십만 배 이상 늘릴 수 있어 효율성이 비약적으로 상승합니다. 반응물이 촉매 표면에 흡착되어 결합이 끊어지거나 재결합한 뒤 생성물로 탈착되는 일련의 과정은 나노 입자의 크기와 모양, 표면 원자 배열에 따라 결정되며, 이를 정밀하게 제어하는 것이 연구의 핵심입니다. 최근 촉매 연구의 가장 뜨거운 분야 중 하나는 단일 원자 촉매입니다. 이는 금속 원자를 하나씩 담체 위에 분산시켜 모든 원자가 표면 반응에 참여하도록 만드는 기술입니다. 기존 나노 입자 촉매는 내부의 원자들이 반응에 참여하지 못해 낭비되는 부분이 많았으나, 단일 원자 촉매는 금속 활용도를 100%까지 끌어올릴 수 있습니다. 또한 반응 자리가 매우 균일하여 원치 않는 부산물을 줄이고 특정 생성물만 얻는 선택도가 높다는 장점이 있습니다. 이는 메탄을 고부가가치 화합물로 전환하는 등 난도가 높은 반응에서 혁신적인 가능성을 보여줍니다. 하지만 단일 원자 촉매가 모든 반응에서 만능은 아닙니다. 수소 연료 전지의 핵심인 산소 환원 반응처럼 두 개 이상의 원자가 협동하여 결합을 끊어야 하는 경우에는 단일 원자만으로는 한계가 있습니다. 이를 해결하기 위해 원자들이 서로 이웃하여 존재하는 앙상블 촉매 구조가 새롭게 주목받고 있습니다. 앙상블 촉매는 모든 원자가 표면에 노출되어 있으면서도 이웃한 원자들과의 상호작용을 통해 복잡한 화학 결합을 효과적으로 제어할 수 있습니다. 이는 불순물에 취약한 단일 원자 촉매의 단점을 보완하고 실제 산업 공정에서의 내구성을 높이는 대안이 됩니다. 촉매 기술의 발전은 수소 연료 전지차의 대중화와 탄소 중립 실현을 앞당기는 결정적인 열쇠입니다. 연료 전지에 들어가는 고가의 백금 사용량을 획기적으로 줄이거나, 자동차 배기가스의 오염 물질을 정화하는 삼원 촉매의 성능을 높이는 일은 모두 표면 반응 제어 기술에 달려 있습니다. 나아가 대기 중의 이산화탄소를 포집하여 다시 연료나 원료로 바꾸는 기술이 완성된다면, 인류는 지속 가능한 순환형 화학 산업 구조를 갖추게 될 것입니다. 보이지 않는 미세한 표면에서 일어나는 원자들의 움직임이 인류의 미래를 바꾸는 거대한 변화를 만들어내고 있습니다.

이현주

카오스재단카오스강연

화학

[인터뷰] 이현주_화학산업의 게임체인저, 촉매ㅣ2021 가을 카오스강연 '과학의 희열'

과학자로서의 삶은 끊임없는 도전과 실패의 연속입니다. 스스로의 한계를 규정짓지 않는 마음가짐은 복잡한 공학적 난제를 해결하는 가장 강력한 원동력이 됩니다. 특히 주변의 뛰어난 인재들 사이에서 스스로를 의심하게 되는 순간에도, 실패를 두려워하지 않고 다시 일어서는 용기는 좋은 과학자가 갖춰야 할 필수적인 덕목입니다. 이러한 단단한 의지는 단순히 지식을 습득하는 단계를 넘어 새로운 과학적 지평을 열어가는 과정에서 핵심적인 역할을 수행합니다. 불균일계 촉매 연구는 현대 화학 산업의 핵심적인 토대를 이룹니다. 촉매는 반응물과 생성물의 상태가 다른 환경에서 화학 반응을 촉진하는 역할을 하며, 특히 귀금속 사용량을 줄이면서도 활성과 선택성을 높이는 것이 연구의 주된 목표입니다. 우리의 생활 환경에서 흔히 볼 수 있는 자동차 배기가스 정화 장치 역시 이러한 촉매 기술의 결정체입니다. 유해한 황산화물이나 질소산화물을 무해한 물과 질소로 변환함으로써, 촉매는 보이지 않는 곳에서 인류의 건강과 환경을 보호하는 중추적인 기능을 수행하고 있습니다. 오랜 시간 안정적인 분야로 여겨졌던 화학 산업은 현재 거대한 전환점에 서 있습니다. 과거의 성장이 효율성에 집중했다면, 이제는 이산화탄소 배출과 미세플라스틱 문제 해결이라는 강력한 사회적 요구에 직면해 있습니다. 이러한 변화는 단순히 위기가 아니라 지속 가능한 사회로 나아가기 위한 필수적인 과정입니다. 석유 기반의 생산 방식에서 벗어나 새로운 원료를 활용해 필요한 물질을 만들어내는 과정에서 촉매는 성패를 가르는 열쇠가 됩니다. 화학 산업의 근본적인 혁신만이 깨끗하고 지속 가능한 내일을 보장할 수 있습니다. 공학 분야 내의 멘토링 프로그램은 단순한 지식 전달을 넘어 사회적 연대를 구축하는 장이 됩니다. 특히 여학생들이 겪는 경력 단절에 대한 고민이나 구직 과정에서의 보이지 않는 장벽은 개인의 노력만으로 해결하기 어려운 지점입니다. 이러한 문제를 공유하고 해결책을 모색하는 과정에는 남녀 학생 모두의 참여가 필요합니다. 서로의 상황을 이해하고 포용하는 태도는 갈등을 줄이고 모두가 행복하게 일할 수 있는 환경을 만드는 첫걸음입니다. 멘토링은 변화하는 시대에 발맞춰 건강한 조직 문화를 형성하는 중요한 역할을 수행합니다. 연구실의 기술이 실험실 담장을 넘어 실제 시장과 사회에 실질적인 영향을 미치는 것은 모든 공학자의 꿈입니다. 원자 수준에서 표면 구조를 정밀하게 제어한 촉매를 실험실 규모를 넘어 kg 단위로 대량 생산하는 기술은 화학 산업의 패러다임을 바꿀 수 있는 도전적인 과제입니다. 나노기술의 발전으로 과거에는 불가능해 보였던 원자 수준의 분석과 합성이 가능해지고 있는 만큼, 이러한 혁신적 기술이 제품화되어 사회적 가치를 창출하는 미래를 기대해 봅니다. 이는 공학이 추구해야 할 진정한 실용적 가치의 실현이라 할 수 있습니다.

이현주

카오스재단카오스강연

화학

[강연] 빛의 한계를 뛰어넘는 분자의 슬기로운 감빵생활 _ by심상희 ㅣ 2021 가을 카오스강연 '과학의 희열' 5강 | 5강

현미경의 역사는 생물학의 발전과 그 궤를 같이해 왔습니다. 17세기 로버트 훅은 직접 고안한 현미경으로 코르크 마개를 관찰하던 중, 작은 방들이 조밀하게 모여 있는 모습이 마치 수도원의 독방이나 감옥 같다고 느껴 '세포(Cell)'라는 이름을 붙였습니다. 이후 레벤후크는 미생물을 발견하여 미생물학의 토대를 닦았고, 카할은 신경 세포의 정교한 구조를 그려내며 뇌과학의 시작을 알렸습니다. 이처럼 현미경은 보이지 않는 미세 세계를 시각화함으로써 인류가 생명의 기본 단위를 이해하는 데 결정적인 역할을 수행해 왔습니다. 하지만 전통적인 광학 현미경은 물리적인 한계에 부딪혔습니다. 19세기 에른스트 아베는 빛의 파동성으로 인해 발생하는 회절 현상을 수식으로 정리하며 회절 한계를 규명했습니다. 가시광선을 사용하는 한, 약 200~300 나노미터보다 작은 물체는 서로 구분할 수 없다는 것입니다. 이로 인해 수 나노미터 크기에 불과한 단백질이나 바이러스는 현미경 아래에서 실제보다 훨씬 거대한 빛의 점으로 뭉개져 보일 수밖에 없었으며, 이는 오랫동안 광학계의 깨지지 않는 법칙처럼 여겨졌습니다. 전자 현미경은 짧은 파장의 전자빔을 사용하여 이 한계를 극복했지만, 세포를 아주 얇게 자르고 고정해야 하기에 살아있는 상태를 관찰하기 어렵다는 치명적인 단점이 있었습니다. 반면 형광 현미경은 특정 분자에만 빛을 내는 표지를 붙여 복잡한 세포 환경 속에서도 원하는 대상만을 선명하게 골라낼 수 있는 '분자 특이성'을 가집니다. 이러한 장점 덕분에 현대 생물학에서 형광 현미경은 세포 내 특정 분자의 위치와 움직임을 파악하는 데 있어 대체 불가능한 도구로 자리 잡게 되었습니다. 초고해상도 현미경은 형광 분자가 '반짝이며' 켜지고 꺼지는 스위칭 현상을 슬기롭게 활용하여 물리적 한계를 뛰어넘었습니다. 모든 분자가 동시에 빛을 내면 회절 무늬가 겹쳐 형체를 알 수 없게 되지만, 확률적으로 아주 적은 수의 분자만 번갈아 가며 빛을 내게 조절하면 개별 분자의 정확한 중심 위치를 파악할 수 있습니다. 이는 마치 어두운 밤하늘에서 수많은 반딧불이가 한꺼번에 빛날 때는 형체를 알 수 없다가, 하나씩 번갈아 빛날 때 그 위치를 정확히 찍어낼 수 있는 것과 같은 원리입니다. 이렇게 측정된 수만 개의 분자 위치 정보는 컴퓨터를 통해 하나의 정밀한 이미지로 재구성됩니다. 미술의 점묘화 기법처럼 수많은 점을 찍어 전체 형상을 만드는 이 방식은 기존보다 10배 이상 정밀한 나노미터 단위의 해상도를 제공합니다. 이를 통해 과학자들은 과거에는 뭉개져 보이던 세포 내부 구조를 실타래처럼 가느다란 가닥 하나까지 선명하게 구분할 수 있게 되었으며, 분자 수준에서 일어나는 생명 활동의 사생활을 직접 목격하는 새로운 시대를 열었습니다. 초고해상도 기술은 기존에 알지 못했던 생명의 비밀들을 속속들이 밝혀내고 있습니다. 신경 세포의 축삭 돌기에서 발견된 정교한 액틴 고리 구조나, 정자 꼬리에 배열된 칼슘 채널의 입체적인 모습은 이 기술이 아니었다면 영원히 베일에 싸여 있었을 것입니다. 또한 살아있는 세포 내에서 미토콘드리아가 역동적으로 움직이고 소포체와 상호작용하는 과정을 실시간으로 관찰함으로써, 질병의 원인을 규명하고 새로운 치료법을 찾는 연구에도 혁신적인 변화를 불러일으키고 있습니다. 과학의 비약적인 발전은 정립된 이론에 의문을 던지고 이를 극복하려는 끈기 있는 노력에서 비롯됩니다. 20년 넘게 해상도 한계에 도전한 슈테판 헬이나, 소속도 없이 거실에서 현미경을 조립했던 에릭 베치히의 사례는 과학적 탐구의 본질을 보여줍니다. 99%의 좌절 속에서도 단 1%의 희열을 위해 나아가는 과학자들의 열정은, 빛의 한계를 넘어 분자들의 세계를 탐험하는 원동력이 되었습니다. 이러한 슬기로운 탐구 정신은 앞으로도 우리가 생명의 신비를 풀어나가는 데 가장 강력한 등불이 될 것입니다.

심상희

카오스재단카오스강연

화학

[해SSUL이 있는 과학뉴스] 10월 뉴스 브리핑

국제우주정거장(ISS)은 인류의 위대한 성과이지만, 그 유지 과정은 결코 순탄치 않습니다. 많은 이들이 ISS가 궤도에 머물기만 하면 영원히 작동할 것이라 오해하지만, 실제로는 중력의 영향으로 매일 조금씩 고도가 낮아져 별도의 추력이 필수적입니다. 1998년 가동 이후 공기 누출, 산소 발생기 고장, 컴퓨터 오작동 등 수많은 위기 상황이 발생해 왔습니다. 특히 우주인들이 호스를 손잡이로 사용해 구멍이 나거나, 원인을 알 수 없는 미세한 구멍이 발견되는 등 극한 환경에서의 유지보수는 끊임없는 도전의 연속입니다. 현재 ISS의 공식적인 수명은 2024년까지로 계획되어 있으며, 기술적 보완을 통해 2028년까지 연장하는 방안이 논의되고 있습니다. 하지만 수명이 다한 후 400톤에 달하는 이 거대한 구조물을 어떻게 처리할지가 큰 과제입니다. 궤도 계산을 통해 태평양 한가운데로 안전하게 떨어뜨리거나, 아예 높은 고도로 밀어 올려 우주 쓰레기로 남겨두는 방법 등이 검토되고 있습니다. 최근 미국과 러시아 사이의 긴장된 국제 정세는 이러한 결정에 복잡한 변수로 작용하며 우주 협력의 미래를 불투명하게 만들고 있습니다. 가상 세계인 메타버스는 이제 단순한 유행을 넘어 우리 삶의 깊숙한 곳까지 침투하고 있습니다. 제페토와 같은 플랫폼이 청소년들의 놀이 문화를 주도했다면, 최근에는 게더타운을 통해 대학 강의나 기업 회의가 활발히 이루어지고 있습니다. 기업들 또한 이 새로운 시장에 주목하여 가상 공간에 편의점을 입점시키거나 가전제품 체험존을 운영하며 수익 모델을 창출하고 있습니다. 비대면 문화의 확산은 메타버스를 단순한 소통의 도구를 넘어 경제적 가치를 창출하는 새로운 생태계로 탈바꿈시켰습니다. 메타버스의 미래를 주도하려는 거대 IT 기업들의 움직임도 매섭습니다. 특히 페이스북은 사명을 메타(Meta)로 변경하고 VR·AR 하드웨어 전문가를 기술 책임자(CTO)로 임명하는 등 하드웨어와 소프트웨어가 결합된 실시간 소통 방식에 주력하고 있습니다. 이들은 책임 있는 플랫폼 구축을 위해 대규모 펀드를 조성하고 전 세계 연구기관과 협력하며 메타버스 로드맵을 구체화하고 있습니다. 이는 시청각을 넘어 촉각과 후각까지 아우르는 진정한 가상 세계를 구현하려는 인류의 기술적 야심을 보여줍니다. 과학적 사실을 왜곡한 가짜 뉴스는 사회적 혼란을 야기하기도 합니다. 최근 화이자 백신에 산화 그래핀이 포함되었다는 루머가 대표적인 사례입니다. 산화 그래핀은 흑연에서 추출한 그래핀 표면을 산화시킨 물질로, 수용성이 강해 인체 내 축적보다는 배출될 가능성이 큽니다. 이러한 오해를 바로잡기 위해서는 전문가들의 정확한 정보 전달과 대중의 과학적 문해력이 중요합니다. 최근 출간된 '이과는 지금'과 같은 대중 과학서는 복잡한 과학 이슈를 쉽게 풀어내어 시민들이 올바른 판단을 내릴 수 있도록 돕는 훌륭한 길잡이가 될 것입니다.

국립과천과학관요즘과학👏

지구환경과학
천문학
융합

[과린이를 부탁해 - 과학소년] 9월호

인류는 오래전부터 죽음을 극복하고 영원한 삶을 누리고자 하는 열망을 품어왔습니다. 이러한 인간의 본능적인 욕구는 현대 과학 기술과 결합하여 '인체 냉동 보존'이라는 구체적인 도전으로 나타나고 있습니다. 최초의 냉동인간 보존 기업이 설립된 지 약 50년이 흐른 지금, 전 세계적으로 600명이 넘는 사람들이 미래의 의학 기술로 다시 깨어날 날을 기약하며 차가운 탱크 속에 잠들어 있습니다. 이는 단순한 상상이 아니라 불멸을 향한 인류의 의지가 담긴 실제적인 실험입니다. 인체 냉동 보존 과정은 법적인 사망 선고가 내려진 직후 신속하게 시작됩니다. 뇌를 포함한 주요 장기의 손상을 막기 위해 산소와 혈액을 지속적으로 공급하며 체온을 급격히 낮추는 조치가 우선적으로 이루어집니다. 이후 체내의 혈액과 체액을 모두 제거하고 그 자리를 특수한 동결 보호제로 채우게 됩니다. 이렇게 준비된 신체는 영하 196도의 액체 질소 탱크 안에서 보존되며, 먼 미래에 의학 기술이 발달하여 병을 고치고 다시 깨어날 수 있는 시기를 기다리게 됩니다. 냉동 과정에서 기술적으로 가장 중요한 관건은 세포의 손상을 방지하는 것입니다. 인체의 대부분을 차지하는 수분이 얼면서 결정이 생기면 세포막을 파괴할 수 있기 때문입니다. 이를 해결하기 위해 과학자들은 '유리화 동결'이라는 방식을 사용합니다. 고농도의 동결 보호제를 주입하여 세포 내 수분을 제거하고, 아주 낮은 온도에서도 얼음 결정이 생기지 않도록 액체를 유리처럼 딱딱하게 굳히는 기술입니다. 이는 세포의 형태를 유지하며 생명 활동을 일시 정지시키는 핵심적인 단계입니다. 하지만 냉동보다 훨씬 까다로운 과정은 바로 해동입니다. 아직 인체 해동을 성공적으로 시도한 사례가 없기에 이는 여전히 이론적인 영역에 머물러 있습니다. 해동 시 신체의 모든 부위가 균일하게 녹지 않으면 온도 차이로 인해 세포 내 재결정화가 일어나 조직이 심각하게 파괴될 수 있습니다. 또한, 동결 보호제 자체의 독성을 완벽하게 제거해야 하는 문제도 남아 있습니다. 인간과 같은 정온 동물은 온도 변화에 매우 민감하여 짧은 시간의 기능 정지만으로도 치명적인 손상을 입을 수 있습니다. 이러한 난관에도 불구하고 과학계는 나노 기술의 발전에서 새로운 희망을 찾고 있습니다. 미래에는 아주 작은 나노로봇이 혈관을 타고 다니며 냉동과 해동 과정에서 손상된 세포들을 정밀하게 수리할 수 있을 것으로 기대됩니다. 실제로 최근 토끼의 뇌나 돼지의 심장 조직을 손상 없이 해동하는 실험이 성공을 거두며 냉동인간의 부활 가능성을 조금씩 높이고 있습니다. 이러한 연구 성과들은 불가능해 보이던 영생의 꿈이 언젠가 현실이 될 수도 있다는 기대를 품게 하며 미래 과학의 지평을 넓히고 있습니다.

국립과천과학관어린이👧 과학뉴스

생명과학
융합

[과학자가 쓴 과학책#18] 고재현 _빛으로 보는 세상 | 빛의 핵심

빛은 우리 세상을 이해하는 가장 중요한 열쇠입니다. 하늘이 파란 이유나 노을이 붉게 물드는 현상 같은 자연의 신비부터, 우리가 매일 사용하는 스마트폰의 디스플레이까지 빛은 어디에나 존재합니다. 인류는 아주 오래전부터 빛에 대한 호기심을 바탕으로 그 원리를 탐구해 왔으며, 이는 현대 광기술의 발전으로 이어졌습니다. 빛의 핵심을 이해하는 것은 단순히 과학 지식을 쌓는 것을 넘어, 우리가 살아가는 세상을 더 깊고 지혜롭게 바라보는 눈을 갖게 해주는 소중한 경험이 될 것입니다. 인류는 문명의 대부분을 무언가를 태워 빛을 얻는 방식으로 보냈습니다. 구석기 시대 동굴 벽화를 그리던 시절의 석등부터 로마의 밀랍 양초, 고래 기름을 쓴 램프에 이르기까지 모두 화학적인 연소 과정에서 동반되는 빛을 이용한 것이었습니다. 19세기에 이르러서야 석탄가스를 이용한 가스등과 최초의 전기등인 탄소아크등이 등장하며 새로운 전기를 맞이했습니다. 특히 아크등은 인공적인 번개를 만들어 조명으로 활용한 획기적인 시도였으나, 강한 소음과 번쩍거림 때문에 주로 실외용으로만 사용되는 한계가 있었습니다. 실내 조명의 본격적인 혁명은 에디슨이 상용화한 백열등에서 시작되었습니다. 백열등은 필라멘트를 섭씨 2,000도 이상의 고온으로 가열해 가시광선을 내는 원리를 이용합니다. 하지만 에너지의 90% 이상이 열로 방출되어 효율이 낮다는 단점이 있었습니다. 이후 등장한 형광등은 유리관 내부의 수은이 내뿜는 자외선을 형광체에 통과시켜 가시광선으로 변환하는 방식을 취했습니다. 형광체라는 특수한 물질을 통해 빛의 색을 자유롭게 조절할 수 있게 되면서, 인류는 비로소 백열등보다 훨씬 효율적인 인공 광원을 갖게 되었습니다. 오늘날 조명의 주역은 반도체 광원인 LED입니다. 1960년대 적색 LED를 시작으로 1990년대 중반 청색 LED가 발명되면서 빛의 삼원색이 완성되었고, 이를 통해 효율적인 백색광 구현이 가능해졌습니다. LED는 기존 광원에 비해 수명이 비약적으로 길고 전력 소모가 적어 현대 광기술의 정점으로 평가받습니다. 청색 LED 위에 황색 형광체를 입히거나 RGB 칩을 조합하는 등 다양한 방식으로 만들어진 백색 LED는 이제 교통신호등부터 실내 조명, 야외 전광판까지 우리 삶의 모든 곳을 밝히고 있습니다. 디스플레이는 정보를 시각적 형태로 전달하는 핵심적인 출력 장치입니다. 화면을 자세히 들여다보면 수많은 화소의 배열로 구성되어 있는데, 각 화소는 빨강, 초록, 파랑의 세 가지 색상을 적절히 조합해 우리가 원하는 컬러를 만들어냅니다. 최근에는 각 색상의 밝기를 1,000단계 이상으로 세밀하게 구분하여 총 10억 개 이상의 풍부한 컬러를 구현하는 수준에 이르렀습니다. 브라운관에서 시작된 디스플레이의 역사는 이제 얇고 가벼운 평판형을 넘어, 실제와 가까운 생생한 색감을 자랑하는 고해상도 시대로 진입했습니다. 현대 디스플레이 기술은 크게 LCD와 OLED로 구분할 수 있습니다. LCD는 스스로 빛을 내지 못해 후면의 백라이트가 필요한 비자발광 방식인 반면, OLED는 화소 자체가 스스로 빛을 내는 자발광 방식입니다. 여기에 나노 크기의 반도체인 양자점 기술이 더해지면서 색의 순도와 채도가 비약적으로 향상되었습니다. 양자점은 입자의 크기에 따라 방출하는 빛의 색깔이 달라지는 독특한 특성을 지닙니다. 이러한 기술적 진보는 돌돌 말리는 롤러블 TV처럼 설계의 자유도가 높은 미래형 디스플레이의 탄생을 가능하게 했습니다. 빛은 과학의 역사 속에서 현미경과 망원경의 발명을 이끌며 미시 세계와 거대 우주를 잇는 가교 역할을 했습니다. 또한 양자역학이나 상대성 이론 같은 현대 물리학의 탄생에도 결정적인 영감을 제공했습니다. 오늘날의 광기술은 IT 문명의 견고한 기반이 되어 우리에게 편리함과 즐거움을 주지만, 동시에 정보 격차와 같은 새로운 사회적 고민거리를 던져주기도 합니다. 빛의 원리와 기술적 맥락을 깊이 이해하는 것은 급변하는 미래 사회에서 새로운 기술을 더욱 지혜롭게 활용하고 아름다운 세상을 향유하기 위한 필수적인 과정입니다.

고재현

카오스재단읽다과학

물리학

[강연] 나노의학 2.0 코로나에서 뇌과학까지 by 천진우ㅣIBS X KAOS 2021 '기초과학 석학강연'

나노의학은 10억 분의 1 미터라는 아주 미세한 나노 세계의 원리를 의학에 접목한 최첨단 융합 과학입니다. 과거의 나노 기술이 반도체나 디스플레이 같은 전자 산업의 혁신을 이끌며 우리 삶을 바꾸어 놓았다면, 이제는 생명 현상을 분자 수준에서 관찰하고 조절하는 나노의학이 새로운 의료 혁명을 예고하고 있습니다. 바이러스보다 작은 영역에서 벌어지는 정교한 상호작용을 이해함으로써, 우리는 질병의 근본적인 원인을 파악하고 이전과는 전혀 다른 방식의 진단과 치료법을 모색할 수 있게 되었습니다. 나노의학의 핵심 목표는 더 명확하게 보고 정밀하게 조절하는 것에 있습니다. 이는 진단과 예방의 정확도를 획기적으로 높이는 'Seeing Better'와 질병의 치료 및 조직 재생을 가능케 하는 'Controlling with Precision'이라는 두 가지 가치로 요약됩니다. 약 60년 전 노벨 물리학상 수상자인 리처드 파인만이 예견했던 것처럼, 몸속을 자유롭게 돌아다니며 질병을 찾아내고 치료하는 작은 기계의 꿈은 이제 현실이 되어가고 있습니다. 다양한 학문이 결합한 이 융합 과학은 인류의 건강을 지키는 가장 강력한 도구가 될 것입니다. 최근 전 세계를 휩쓴 팬데믹 상황에서 나노의학은 mRNA 백신이라는 혁신적인 결과물을 내놓으며 그 가치를 증명했습니다. mRNA는 단백질 설계도와 같아서 우리 몸이 스스로 항원을 만들게 유도하지만, 매우 불안정하여 세포까지 전달하기가 매우 어렵다는 치명적인 단점이 있었습니다. 이때 지질 나노입자(LNP)라는 나노캡슐이 보호막 역할을 하여 mRNA를 안전하게 표적 세포까지 운반하는 현금 수송차와 같은 역할을 수행합니다. 이는 생물학적 발견과 나노 공학적 설계가 결합하여 수많은 생명을 구한 팀 사이언스의 대표적인 성공 사례입니다. 진단 분야에서도 나노 기술은 비약적인 발전을 가져왔습니다. 기존의 표준 검사법인 RT-PCR은 정확도는 높지만 장비가 크고 검사 시간이 오래 걸린다는 한계가 있었습니다. 하지만 금 나노입자의 플라즈몬 현상을 이용하면 빛으로 아주 빠르고 균일하게 열을 발생시켜 유전자를 증폭할 수 있습니다. 이를 통해 기존에 두 시간 가까이 걸리던 검사 시간을 15분 이내로 단축하면서도 높은 정확도를 유지하는 현장 진단(POC)이 가능해졌습니다. 이러한 신속 진단 기술은 변이 바이러스의 확산을 막고 신속하게 대응하는 데 결정적인 역할을 합니다. 인체 내부를 들여다보는 이미징 기술 역시 나노 조영제를 통해 물리적 한계를 극복하고 있습니다. 기존 MRI는 해상도가 낮아 미세한 혈관의 이상을 초기 단계에 발견하기 어려웠지만, 자성 나노입자를 활용한 새로운 조영제는 신호 증강 효과를 통해 해상도를 10배 이상 높여줍니다. 이를 통해 뇌 속의 100 마이크로미터 수준의 미세 혈관까지 선명하게 시각화할 수 있는 3차원 혈관 지도를 제작할 수 있게 되었습니다. 이러한 정밀 이미징은 뇌졸중이나 치매 같은 혈관 관련 질환을 조기에 진단하고 치료 계획을 세우는 데 획기적인 도움을 줍니다. 나노의학의 가장 도전적인 영역 중 하나는 자기장을 이용해 뇌 신경을 원격으로 제어하는 '나노 자기 유전학'입니다. 특정 이온 채널에 나노 나침반 역할을 하는 자성 나노입자를 결합하면, 외부에서 자기장을 가해 신경 세포의 활성을 자유롭게 조절할 수 있습니다. 실제로 실험을 통해 자기장만으로 동물의 운동 신경을 활성화하여 움직임을 제어하는 데 성공했으며, 이는 무선으로 뇌 기능을 조절할 수 있는 새로운 플랫폼의 탄생을 의미합니다. 이 기술은 향후 파킨슨병과 같은 퇴행성 뇌 질환의 증상을 완화하고 치료하는 새로운 의료 기술로 적용될 전망입니다. 나노의학은 이제 정밀 의학, 디지털 약, 그리고 재생 의학을 아우르는 차세대 의료의 핵심 솔루션으로 자리 잡고 있습니다. 대한민국은 나노 기술 분야에서 세계적인 강국으로 인정받고 있으며, 이를 바탕으로 한 융합 연구는 인류가 직면한 난치병 문제에 새로운 과학적 해답을 제시할 것입니다. 나노 수준에서 생명 현상을 이해하고 조절하는 이 놀라운 여정은 단순히 학술적 성과를 넘어, 미래 세대에게 건강하고 풍요로운 삶을 선사하는 강력한 힘이 될 것입니다. 대한민국의 과학이 세계의 표준이 되는 미래를 기대하며 나노의학의 혁신은 계속될 것입니다.

천진우

카오스재단카오스크로스

생명과학
뇌인지과학
융합

[인터뷰] 천진우_나노의학과 자기유전학(Feat.연구주제 선정방법)ㅣIBS X KAOS 2021 '기초과학 석학강연'

나노과학은 아주 작은 크기의 세계를 다루는 학문으로, 현대의학에서 혁신적인 변화를 이끌고 있습니다. 대표적인 사례가 바로 mRNA(메신저 RNA) 백신입니다. 불안정한 유전자 정보인 mRNA를 100나노미터 크기의 나노캡슐에 담아 인체에 안정적으로 전달함으로써, 우리 몸이 스스로 항체를 형성할 수 있게 돕습니다. 이는 단순히 질병을 치료하는 것을 넘어, 진단과 생체 현상 관찰, 그리고 정밀한 자극 기술까지 아우르는 융합과학의 핵심적인 역할을 수행하고 있습니다. 과학 연구의 동력은 새로운 현상에 대한 호기심과 도전적인 문제를 해결하려는 의지에서 비롯됩니다. 남들이 시도하지 않은 영역에서 창의성을 발휘할 때 학문적 중요성이 커지기 때문입니다. 과거 1990년대 후반에는 나노입자 연구가 생소한 분야였으나, 수십 년간 지식이 축적되면서 이제는 더 정밀하고 고도화된 단계로 진화하고 있습니다. 과학자들은 기존의 지식에 안주하지 않고, 양자점이나 새로운 나노물질을 바이오 분야에 접합하는 등 끊임없이 새로운 연구 영역을 개척해 나갑니다. 뇌과학은 인류에게 여전히 미지의 영역이자 가장 정복하기 어려운 분야 중 하나로 꼽힙니다. 최근 주목받는 자기유전학은 자기장을 이용해 뇌신경세포인 뉴런의 신호를 제어하는 혁신적인 기술입니다. 이는 유전공학 기법과 나노과학이 결합한 융합과학의 결정체라고 할 수 있습니다. 기존의 전기적 자극이나 빛을 이용한 방식보다 훨씬 정교한 접근이 가능하며, 뇌의 깊은 곳까지 신호를 전달할 수 있다는 점에서 과학적 성과와 발전 가능성이 매우 큰 분야로 기대를 모으고 있습니다. 자기유전학이 광유전학보다 유리한 점은 뛰어난 생체 침투력에 있습니다. 빛은 인체 조직을 통과하는 힘이 약해 정밀한 관찰에는 용이하지만 깊은 곳까지 도달하기 어렵습니다. 반면 자기장은 몸속 깊숙한 곳까지 무선으로 전달될 수 있습니다. 자성나노입자를 뉴런의 이온채널에 접합하여 '자기수용체'를 만들면, 외부 자기장에 반응해 이온채널이 열리고 닫히며 뇌 신호를 원격으로 제어할 수 있게 됩니다. 이러한 무선 제어 방식은 뇌 질환 치료와 면역 시스템 활성화에 새로운 길을 열어줍니다. 하나의 가설을 실험적으로 증명하는 과정은 수많은 연구자의 인내와 협력이 필요한 긴 여정입니다. 자기유전학 연구 역시 나노물질 합성부터 유전공학, 뇌과학 실험에 이르기까지 방대한 단계를 거쳐야 하기에 융합과학으로서의 체계가 필수적입니다. 화학자, 생명과학자, 소재공학자, 그리고 의사가 함께하는 '팀 사이언스'는 개별 연구로는 도달하기 힘든 거대한 과학적 성취를 가능하게 합니다. 이러한 협력은 나노의학이 실질적으로 인류의 건강과 삶의 질을 향상시키는 데 기여하는 밑거름이 됩니다.

천진우

카오스재단카오스크로스

생명과학
융합

[과학원리체험@HOME] -시즌2- 완전한 검은색

우리는 흔히 검은색이라고 하면 모두 동일한 색상일 것이라고 생각하기 쉽지만, 과학의 영역에서 '완전한 검은색'은 특별한 의미를 지닙니다. 이는 단순히 어두운 색을 넘어 빛을 거의 완벽하게 흡수하는 상태를 말합니다. 일반적인 검은색 페인트와 물감, 그리고 나노 기술의 결정체인 반타블랙을 비교해 보면 그 차이가 명확해집니다. 특히 반타블랙은 현대 과학이 만들어낸 신소재로, 기존의 어떤 색상보다도 높은 빛 흡수율을 자랑하며 완전한 검은색에 가장 근접한 물질로 평가받고 있습니다. 물체가 우리 눈에 검은색으로 보이는 이유는 가시광선을 반사하지 않고 흡수하기 때문입니다. 하지만 우리가 일상에서 접하는 대부분의 검은색 물체는 미세하게나마 빛을 반사하고 있어 완벽한 어둠을 구현하지는 못합니다. 반면 반타블랙은 나노 구조를 활용하여 들어오는 빛을 가두고 흡수함으로써 반사율을 극도로 낮춘 것이 특징입니다. 이러한 흡수와 반사의 원리를 이해하면 왜 어떤 검은색은 유독 더 깊고 어둡게 느껴지는지 알 수 있으며, 이는 곧 빛의 물리적 성질을 제어하는 기술력의 차이라고 할 수 있습니다. 빛을 이용한 실험을 통해 각 소재의 반사 정도를 확인해 보면 그 차이는 더욱 극명하게 드러납니다. 일반 페인트나 물감에 강한 빛을 비추면 맞은편 벽면에 반사된 빛의 흔적이 뚜렷하게 남는 것을 볼 수 있습니다. 이는 해당 소재들이 빛을 완전히 흡수하지 못하고 튕겨내고 있음을 의미합니다. 그러나 반타블랙의 경우, 빛을 비추어도 벽면에 나타나는 반사광이 거의 관찰되지 않습니다. 이는 소재 자체가 빛을 거의 완벽하게 빨아들여 외부로 다시 내보내지 않는다는 사실을 시각적으로 증명하는 결과입니다. 이러한 완전한 검은색의 특성은 정밀 과학 분야에서 매우 유용하게 활용됩니다. 대표적인 예가 천체 망원경의 내부 경통입니다. 별을 관측할 때 렌즈를 통해 들어오는 별빛 외에 다른 잡광이 경통 내부에서 난반사되면 관측의 정확도가 떨어지게 됩니다. 이때 경통 내부를 반타블랙으로 코팅하면 불필요한 빛을 모두 흡수하여 난반사를 방지할 수 있습니다. 결과적으로 관찰하고자 하는 별의 빛만을 선명하게 포착할 수 있게 되어, 우주의 신비를 더욱 정밀하게 탐구할 수 있는 환경을 조성해 줍니다. 반타블랙의 응용 범위는 천문학을 넘어 제조 시설과 보안 분야까지 광범위하게 확장됩니다. 빛의 반사를 최소화해야 하는 정밀 제조 공정에서 이 소재를 활용하면 공정의 정확도를 높일 수 있습니다. 또한 군사 및 보안 분야에서는 물체의 형체를 숨기거나 노출을 차단하는 용도로 주목받고 있습니다. 빛이 반사되지 않으면 관찰자의 눈에 물체의 입체감이 사라지고 마치 구멍이 뚫린 듯한 착시를 일으키기 때문입니다. 이처럼 빛을 지우는 기술은 현대 산업의 다양한 영역에서 혁신적인 변화를 이끌어내고 있습니다.

국립과천과학관👩‍🔬과학원리체험@home

물리학
융합

[명강리뷰] 메타물질 : 자연에 없던 물질 만들기 by 이병호ㅣ2015 가을 카오스 강연 '빛, 색즉시공' 9강

빛은 수조 속에서 꺾여 나아갑니다. 페르마의 원리에 따르면 빛은 목적지까지 가장 짧은 시간이 걸리는 경로를 선택합니다. 물과 공기처럼 매질에 따라 빛의 속도가 달라지기 때문에 굴절 현상이 발생하는 것입니다. 이때 빛이 매질 내에서 얼마나 느려지는지를 나타내는 척도가 바로 굴절률입니다. 굴절률은 두 매질의 경계에서 빛이 꺾이는 정도와 파장의 변화를 결정하는 핵심적인 물리량으로 작용하며, 우리가 사물을 보는 방식의 기초가 됩니다. 전자기학의 기초를 닦은 패러데이는 자기장의 변화가 전기장을 만든다는 사실을 발견했습니다. 이후 맥스웰은 전기장의 변화 역시 자기장을 유도한다는 대칭성을 찾아내어 전자기파의 존재를 수식으로 증명했습니다. 전자기파는 서로 수직인 전기장과 자기장이 진동하며 나아가는 파동이며, 우리가 보는 빛 또한 전자기파의 일종입니다. 물질의 유전율과 투자율은 이러한 전기장과 자기장에 대한 반응 정도를 나타내며, 매질의 고유한 굴절률을 결정하는 근간이 됩니다. 자연계의 일반적인 물질은 양의 유전율과 투자율을 가지지만, 메타물질은 이를 인공적으로 설계하여 둘 다 음수 값을 갖게 할 수 있습니다. 이 경우 굴절률이 음수가 되는 '음굴절' 현상이 나타나는데, 이는 빛이 일반적인 경우와 반대 방향으로 꺾이는 기이한 현상을 유발합니다. 마치 시간이 뒤로 흐르는 듯한 효과를 주기도 하며, 자연계에는 존재하지 않는 이 독특한 성질을 통해 우리는 빛의 경로를 이전보다 훨씬 자유자재로 제어할 수 있는 새로운 가능성을 열게 되었습니다. 메타물질의 대표적인 응용 분야는 투명 망토 기술입니다. 빛이 물체에 부딪혀 반사되지 않고 물체 주위를 휘어서 돌아가게 함으로써 물체를 보이지 않게 만드는 원리입니다. 이는 신기루 현상에서 지표면의 온도 차이로 빛이 휘어지는 것과 유사한 원리를 인공적으로 구현한 것입니다. 또한 메타물질은 빛뿐만 아니라 소리나 열, 심지어 지진파와 같은 다양한 파동에도 적용될 수 있어 층간 소음 방지나 거대 재난 예방 등 폭넓은 분야에서 기술적 혁신을 예고하고 있습니다. 현재 우리나라는 한국기계연구원을 중심으로 글로벌 프런티어 사업단을 구성하여 메타물질 연구에 박차를 가하고 있습니다. 대학과 연구소가 협력하여 진행하는 이 대규모 프로젝트는 세계적으로도 유례가 드문 종합적인 연구 체계로 평가받습니다. 미래를 예측하는 가장 좋은 방법은 직접 미래를 만드는 것이라는 말처럼, 메타물질 연구는 기존의 한계를 뛰어넘는 새로운 기술적 영토를 개척하고 있습니다. 머지않아 우리 연구진의 손에서 세상을 바꿀 놀라운 성과가 탄생할 것으로 기대됩니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[명강리뷰] 응답하라, 작은 것들의 세계여 : 현미경과 미시세계 by 김성근ㅣ2015 가을 카오스 강연 '빛, 색즉시공' 5강

과학에서 관찰은 근대부터 현대에 이르기까지 지식을 형성하는 핵심적인 도구입니다. 우리가 일상에서 경험하는 거시 세계에서는 관찰 행위가 대상에 영향을 주지 않지만, 원자와 분자의 미시 세계로 내려가면 이야기가 달라집니다. 미시 세계에서는 관찰을 위해 투입한 광자가 전자를 교란하는 등 측정 자체가 대상의 상태를 변화시키는 양자역학적 원리가 지배합니다. 이러한 특성 때문에 미시 세계를 정확히 이해하기 위해서는 기존의 거시적 관점과는 다른 새로운 측정 개념과 접근 방식이 필수적으로 요구됩니다. 미시 세계의 규모는 우리의 상상을 초월할 정도로 방대하고 정교합니다. 눈물 한 방울 속에 담긴 물 분자 수를 전 세계 인구가 쉬지 않고 센다면 약 2,000년이 걸릴 만큼 그 수는 어마어마합니다. 이처럼 작은 세계에는 우리 몸의 시신경 혈관, 적혈구, 폐의 허파꽈리 등 생명 유지에 필수적인 구조들이 복잡하게 얽혀 있습니다. 이러한 미세 구조를 시각적으로 확인하는 것은 단순히 호기심을 충족하는 것을 넘어, 질병의 원인을 파악하고 해결책을 찾는 과학적 탐구의 출발점이 됩니다. 인류는 더 작은 것을 보고자 하는 열망으로 현미경의 역사를 발전시켜 왔습니다. 하지만 19세기 후반 물리학자 아베가 발견한 '회절 한계'는 광학 현미경의 발전에 거대한 벽이 되었습니다. 빛의 파동성 때문에 가시광선을 사용하는 현미경으로는 약 200나노미터 이하의 물체를 구분할 수 없다는 원리입니다. 이 한계는 100년 넘게 과학계의 정설로 받아들여졌으며, 많은 이들이 광학 현미경으로 그 이상의 미세한 세계를 보는 것은 불가능하다고 믿어 왔습니다. 2014년 노벨 화학상은 이러한 불가능의 벽을 깨뜨린 초고분해능 광학 현미경 기술에 수여되었습니다. 연구자들은 형광 분자를 개별적으로 켜고 끄거나, 도넛 형태의 레이저 빔을 이용해 관찰 면적을 극도로 좁히는 혁신적인 방법을 고안했습니다. 이를 통해 회절 한계를 극복하고 수 나노미터 수준의 분해능을 구현함으로써, 전자 현미경처럼 시료를 파괴하지 않고도 살아있는 세포 내부를 선명하게 관찰할 수 있게 되었습니다. 이는 광학 현미경의 새로운 시대를 여는 역사적인 전환점이 되었습니다. 미시 세계를 탐구하는 과학자들의 궁극적인 꿈은 살아있는 세포 내에서 일어나는 생명 현상을 실시간으로 관찰하는 것입니다. 특정 물질의 거동을 원자 수준의 분해능으로 직접 볼 수 있다면, 생명의 신비를 이해하는 방식은 근본적으로 변화할 것입니다. 과거의 과학자들이 눈으로 세상을 관찰하며 법칙을 찾아냈듯, 현대 과학 역시 초고분해능 기술을 통해 미시적 구조와 기능을 직접 확인하며 발전하고 있습니다. 이러한 기술적 진보는 인류가 생명의 본질에 한 걸음 더 다가가는 길을 열어줄 것입니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[해SSUL이있는 과학뉴스] 탄소섬유와 모빌리티 - 1탄

탄소는 우리에게 매우 친숙한 원소입니다. 수천 년 동안 인류가 사용해 온 먹이나 도료의 주성분인 카본블랙부터 영롱한 빛을 발하는 다이아몬드에 이르기까지, 탄소는 그 구조에 따라 전혀 다른 모습으로 존재합니다. 과학적으로 탄소는 0차원에서 3차원에 이르는 다양한 구조적 특징을 지니고 있으며, 이를 '동소체'라고 부릅니다. 같은 탄소 원자로 이루어져 있음에도 불구하고 원자들의 배열 방식인 격자 모양이 달라짐에 따라 물질의 물리적 성질이 극적으로 변화한다는 점은 탄소만이 가진 독특하고 신비로운 매력 중 하나입니다. 현대 과학은 탄소의 구조를 제어하여 혁신적인 신소재들을 탄생시켰습니다. 축구공 모양의 풀러렌은 독특한 대칭 구조로 노벨상을 받았으며, 죽부인처럼 길쭉한 원통형 구조를 가진 탄소나노튜브는 나노미터 단위의 얇은 굵기에도 불구하고 뛰어난 전도성과 강도를 자랑합니다. 특히 2010년 노벨 물리학상의 주인공인 그래핀은 흑연에서 단 한 층의 원자 막을 분리해낸 물질로, 투명하면서도 강철보다 수백 배 강한 특성을 지닙니다. 이러한 소재들은 현재 배터리 도전재나 차세대 반도체 소자 등 다양한 첨단 산업 분야에서 상용화를 위한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 다양한 탄소 소재 중에서도 현재 산업 현장에서 가장 널리 쓰이는 핵심 소재는 단연 탄소섬유입니다. 탄소섬유는 폴리아크릴로니트릴과 같은 고분자 섬유를 섭씨 1,000도 이상의 고온에서 태우는 '탄소화' 과정을 통해 만들어집니다. 이 과정은 마치 참나무를 가마에 넣고 공기를 차단한 채 구워 숯을 만드는 원리와 유사합니다. 이렇게 탄생한 탄소섬유는 불순물이 제거된 순수한 육각형 탄소 결정 구조를 갖게 되며, 실 형태로 뽑아내어 직물처럼 엮어 사용합니다. 가벼우면서도 강철을 압도하는 강도를 지녀 현대 산업의 '꿈의 소재'로 불립니다. 탄소섬유의 가장 큰 장점은 강철보다 10배 강하면서도 무게는 5배나 가볍다는 점입니다. 이러한 특성 덕분에 고압을 견뎌야 하는 수소차의 연료 탱크 제작에 필수적으로 사용됩니다. 또한 전기차 분야에서도 탄소섬유는 혁신적인 역할을 수행합니다. 무거운 배터리를 탑재해야 하는 전기차의 특성상 차체 무게를 줄이는 경량화는 연비와 주행 거리 향상을 위한 숙원 사업입니다. 배터리 케이스나 주요 부품을 탄소섬유로 대체함으로써 차량 전체의 무게를 획기적으로 줄일 수 있으며, 이는 곧 친환경 모빌리티의 효율성 극대화로 이어집니다. 탄소섬유의 가치는 안전성 측면에서도 증명되었습니다. 과거 포뮬러 원(F1) 경주차에 탄소섬유 외장을 도입한 이후 사고 시 운전자의 생존율이 급격히 향상된 사례가 대표적입니다. 금속보다 비싼 가격이 대중화의 걸림돌이었으나, 기술 발전과 대량 생산 체계 구축을 통해 점차 가격 경쟁력을 확보해 나가고 있습니다. 대한민국 역시 탄소섬유의 국산화와 기술 자립을 위해 국가적 역량을 집중하고 있습니다. 미래 모빌리티와 항공우주 산업을 견인할 탄소 소재는 단순한 재료를 넘어 국가 경쟁력을 결정짓는 핵심 전략 자산이 될 것입니다.

국립과천과학관요즘과학👏

물리학
화학
융합

[강연] 김근수 교수 _ 반도체의 양자 도약을 꿈꾸며

현대 기술의 핵심인 반도체는 단순한 부품을 넘어 '양자 도약'이라는 거대한 혁신의 중심에 서 있습니다. 과거 양자 현상은 물리학이라는 기초 학문의 영역에만 머물러 있는 주제로 여겨졌으나, 최근에는 양자 컴퓨터나 양자 암호 기술처럼 실질적인 기술적 혁신으로 이어지며 우리 실생활에 거대한 변화를 예고하고 있습니다. 물질 속에 숨겨진 미세한 양자 현상을 어떻게 이해하고 활용하느냐에 따라 미래 기술의 향방이 결정되는 중요한 시점에 도달했습니다. 우리가 매일 사용하는 스마트폰 내부에는 마이크로칩이라는 정교한 부품이 존재하며, 그 안을 들여다보면 나노미터 단위의 미세한 트랜지스터들이 빽빽하게 집적되어 있습니다. 1947년 세 명의 물리학자에 의해 처음 발명된 트랜지스터는 초기에는 손바닥만 한 덩어리에 불과했으나, 이제는 머리카락 굵기의 수만 분의 일 크기로 작아졌습니다. 이 작은 소자들은 전압을 제어하여 0과 1이라는 디지털 신호를 만들어내며 현대 정보화 사회의 근간을 이루는 비트의 세계를 창조하고 있습니다. 현대 기술이 빛을 구성하는 광자보다 전자라는 입자를 주로 활용하는 이유는 인간이 전자를 다루기가 훨씬 수월하기 때문입니다. 우리는 전기장과 자기장이라는 강력한 도구를 무기 삼아 전자의 흐름을 정교하게 제어할 수 있으며, 이 전자의 흐름이 곧 우리가 사용하는 전기 신호이자 전류가 됩니다. 물질은 수많은 원자의 배열로 구성되어 있고 그 안에는 활용 가능한 전자가 가득 차 있습니다. 따라서 고체 물질은 전자의 흐름을 만들어내기 위한 마치 거대한 수조와 같은 최적의 보고 역할을 수행하게 됩니다. 미시 세계의 전자는 양자역학의 지배를 받으며 파동과 입자의 성질을 동시에 지니는 독특한 특징을 보입니다. 특히 고체 내의 전자는 아무 에너지나 가질 수 없고, 양자역학적 원리에 의해 허용된 영역과 금지된 영역인 '밴드갭'이라는 에너지 장벽을 마주하게 됩니다. 이 장벽의 높이에 따라 물질은 도체, 부도체, 반도체로 분류됩니다. 반도체는 이 장벽이 매우 애매하게 설정되어 있어, 외부에서 약간의 힘을 가하는 것만으로도 전자의 흐름을 선택적으로 조절할 수 있다는 점에서 기술적으로 매우 유용한 가치를 지니고 있습니다. 반도체 집적도가 매년 비약적으로 향상된다는 무어의 법칙은 최근 물리적 한계에 부딪히며 새로운 국면을 맞이하고 있습니다. 소자가 너무 작아지면 전자가 에너지 장벽을 그대로 뚫고 지나가는 '양자 터널링 현상'이 발생하여 디지털 신호가 불분명해지고, 전자 간의 잦은 충돌로 인해 기기가 뜨거워지는 발열 문제도 심각해집니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 물리학자들은 전자의 스핀이나 고유한 양자 성질을 100% 활용하여 저항 없이 정보를 전달하는 새로운 차원의 '양자 물질' 연구에 집중하며 돌파구를 찾고 있습니다. 꿈의 신소재로 불리는 그래핀은 전자가 마치 빛처럼 질량이 없는 상태로 빠르게 이동하는 놀라운 효율을 보여주지만, 에너지 장벽인 밴드갭이 없다는 치명적인 단점이 존재합니다. 전자를 멈추게 할 장벽이 없으면 디지털 소자인 트랜지스터로 활용하기 어렵기 때문입니다. 이에 최근 연구는 단순히 새로운 물질을 찾는 것을 넘어, 흑린과 같은 물질에 강력한 전기장을 가해 밴드갭의 크기를 자유자재로 조절하는 '슈타르크 효과'를 고체에 적용하고 있습니다. 이는 물질 고유의 성질을 인간의 의도대로 교정하려는 혁신적인 시도라고 할 수 있습니다. 에너지 장벽 자체를 자유자재로 제어할 수 있게 되면 기존의 고전적인 방식과는 전혀 다른 물리학적 원리로 동작하는 신개념 양자 소자를 구현할 수 있습니다. 이는 인공지능 전용 반도체나 자율주행, 빅데이터 처리 등 미래 ICT 기술 전반에 걸쳐 파괴적인 혁신을 가져올 것입니다. 기초 물리학의 영역에 머물던 양자 현상을 고체 물질 속에서 성공적으로 끌어내어 실용화하려는 이러한 노력은, 결국 인류 기술이 정체기를 벗어나 진정한 의미의 '양자 도약'을 실현하는 가장 강력한 밑바탕이 될 것으로 기대하고 있습니다.

김근수

카오스재단

물리학

[석학인터뷰] 김상우 ─ DNA는 대부분 쓰레기다?! | 2020 봄 카오스강연 '첨단기술의 과학'

2000년대 이후 생물학은 비약적인 변화를 맞이했습니다. 과거에는 단일 유전자나 단백질의 기능을 깊이 있게 분석하는 연구가 주를 이루었으나, 현재는 유전체 활동과 염기서열 정보를 포함한 방대한 데이터가 쏟아지고 있습니다. 이러한 흐름 속에서 컴퓨터 기술은 단순한 도구를 넘어 생명 현상을 해석하기 위한 필수적인 요소가 되었습니다. 데이터를 능숙하게 다루고 분석할 수 있는 능력은 특정 질병에 국한되지 않고 생명 전체의 원리를 조망할 수 있는 넓은 시야를 제공하며, 이는 현대 과학자들에게 커다란 축복과도 같습니다. 이제 생물학은 복잡한 데이터를 정교하게 해석하는 정보 과학의 시대로 접어들었습니다. 눈에 보이지 않는 미세한 DNA를 관찰하기 위해서는 생화학이나 나노기술의 정교함이 필요하며, 여기서 얻은 거대한 데이터를 유의미한 정보로 바꾸기 위해서는 수학과 통계학, 그리고 전산학의 엄밀함이 요구됩니다. 자칫 잘못된 발견으로 이어질 수 있는 오류를 방지하기 위해 정교한 계산이 필수적이기 때문입니다. 결국 이러한 과정을 거쳐 도출된 결과는 다시 생물학과 의학의 영역으로 회귀하여 질병 치료와 같은 실질적인 응용 단계로 나아가게 됩니다. 이처럼 DNA 연구는 현대 과학의 정수를 모아 생명의 본질에 다가가는 숭고한 여정이라 할 수 있습니다. 생명의 설계도인 DNA를 연구하는 과정은 과학자로서의 태도와 철학을 정립하는 여정이기도 합니다. 칼 세이건의 '코스모스'가 생명 진화의 경이로움을 일깨워주었다면, 리처드 도킨스의 저작들은 엄밀한 탐구 정신을 견지하는 데 큰 영향을 주었습니다. 이러한 영감과 과학적 태도를 바탕으로 유전 변이를 탐지하고 질병의 원인을 밝혀내는 노력은 인류가 직면한 한계를 극복하는 열쇠가 됩니다. 결국 DNA 연구는 생명의 근원을 이해하고 더 나은 미래를 설계하기 위한 숭고한 도전입니다. 우리는 이러한 탐구를 통해 질병의 고통에서 벗어나 더 건강한 삶을 향한 발걸음을 내딛고 있습니다.

김상우

카오스재단카오스강연

생명과학

[강연] 전기와 자기가 만났을 때: 자석에 전류를 흘리면? _ by김갑진｜2019 가을 강연 '도대체 都大體' | 4강

인류 문명의 발전은 전기를 다루기 시작하면서 비약적인 도약을 이루었습니다. 고대 그리스의 탈레스가 호박을 문질러 정전기를 발견한 이래, 인류는 보이지 않는 힘의 실체를 파악하기 위해 끊임없이 노력해 왔습니다. 19세기 볼타 전지 발명과 패러데이 전자기 유도 법칙은 현대 문명을 지탱하는 전력 시스템의 근간이 되었습니다. 전기와 자기는 단순한 자연 현상을 넘어, 오늘날 우리가 사용하는 스마트폰부터 자동차에 이르기까지 모든 전자기기의 작동 원리를 제공하며 현대인의 삶과 떼려야 뗄 수 없는 필수적인 요소로 자리 잡았습니다. 맥스웰은 흩어져 있던 전기와 자기의 법칙들을 맥스웰 방정식으로 통합하며 물리학의 거대한 이정표를 세웠습니다. 그의 이론에 따르면 전기장은 자기장을 만들고, 변화하는 자기장은 다시 전기장을 유도하며 서로 긴밀하게 연결되어 있습니다. 이러한 상호작용은 전자기파라는 형태로 공간을 가로질러 빛의 속도로 전달되며, 우리가 보는 빛 또한 전자기파의 일종임을 밝혀냈습니다. 맥스웰 방정식은 세상의 모든 전자기적 현상을 단 네 줄의 수식으로 설명할 수 있음을 보여주었으며, 이는 현대 물리학이 추구하는 대통합 이론의 선구적인 모델이 되었습니다. 아인슈타인은 상대성 이론을 통해 전기와 자기가 관찰자의 운동 상태에 따라 다르게 보일 뿐, 본질적으로 같은 현상임을 증명했습니다. 정지한 관찰자에게는 전기장으로 보이는 것이 움직이는 관찰자에게는 자기장으로 느껴질 수 있다는 사실은 물리 법칙의 보편성을 새롭게 정의했습니다. 이는 자기력이 전기력의 상대론적 효과에 불과하다는 혁신적인 통찰을 제공했습니다. 아인슈타인의 이러한 시각은 전기와 자기를 개별적인 힘이 아닌 전자기력이라는 하나의 통합된 실체로 이해하게 만들었으며, 현대 전자기학의 철학적 토대를 더욱 공고히 다졌습니다. 전기와 자기의 근원을 추적하면 원자 속의 전자와 마주하게 됩니다. 전자는 음의 전하를 띠고 흐르며 전류를 만들 뿐만 아니라, 스핀이라는 고유한 물리량을 통해 자성을 나타냅니다. 스핀은 전자가 스스로 회전하는 것과 유사한 성질을 지니며, 이로 인해 모든 전자는 아주 작은 자석과 같은 역할을 수행합니다. 원자 내 전자들이 특정 방향으로 정렬될 때 비로소 우리가 아는 자석의 힘이 나타나게 됩니다. 결국 우리 주변의 모든 물질은 미시적인 수준에서 끊임없이 회전하고 정렬하는 전자들의 스핀 상호작용에 의해 그 성질이 결정되는 셈입니다. 2007년 노벨 물리학상을 안겨준 거대 자기저항(GMR) 효과의 발견은 전자의 전하뿐만 아니라 스핀을 정보 처리에 활용하는 스핀트로닉스 시대를 열었습니다. 자성체의 정렬 방향에 따라 전자의 흐름이 바뀌는 이 현상은 하드디스크의 기록 밀도를 획기적으로 높이는 데 결정적인 기여를 했습니다. 기존의 전자공학이 전자의 흐름만을 제어했다면, 스핀트로닉스는 전자의 회전 방향까지 조절함으로써 더 빠르고 효율적인 정보 저장을 가능케 했습니다. 이는 현대 정보화 사회에서 폭발적으로 증가하는 데이터를 저장하고 처리하는 핵심 기술로 자리 잡았습니다. 최근의 스핀트로닉스 연구는 전류뿐만 아니라 열이나 빛, 심지어 물체의 회전을 통해서도 스핀을 제어하는 단계에 이르렀습니다. 온도 차이를 이용해 스핀의 흐름을 만드는 스핀 제베크 효과나, 전자가 이동하며 스핀 방향에 따라 휘어지는 스핀 홀 효과 등은 물리계의 신비로운 현상들을 보여줍니다. 특히 나노 기술의 발전으로 원자 층 단위에서 스핀을 조절할 수 있게 되면서, 이론적으로만 존재하던 현상들이 실험적으로 증명되고 있습니다. 이러한 발견들은 전기와 자기가 만났을 때 발생하는 무궁무진한 가능성을 시사하며 차세대 소자 개발의 밑거름이 되고 있습니다. 4차 산업혁명 시대의 핵심 자산인 데이터를 유지하기 위해서는 막대한 에너지가 소모됩니다. 스핀트로닉스는 전하의 이동 없이 스핀의 정보만을 전달함으로써 열 발생을 최소화하고 에너지 효율을 극대화할 수 있는 잠재력을 지니고 있습니다. 나노 자석을 이용한 초저전력 메모리 기술은 미래의 데이터 센터와 인공지능 연산 장치의 에너지 문제를 해결할 열쇠로 주목받고 있습니다. 보이지 않는 작은 스핀에 대한 탐구는 단순한 호기심을 넘어 인류의 지속 가능한 발전을 위한 기술적 혁신으로 이어지며, 미래 과학의 새로운 지평을 넓혀가고 있습니다.

김갑진

카오스재단카오스강연

물리학

[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

[강연] 나노: 우리의 미래 _ by이광렬｜2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 8강 | 8강 ①

하이드로젤은 물을 뜻하는 '하이드로'와 고분자 네트워크인 '젤'이 결합한 독특한 재료입니다. 투명하고 말랑말랑한 성질을 지니며 내부에 수많은 물 분자를 머금고 있어 고체이면서도 액체의 특성을 동시에 보여줍니다. 초기 하이드로젤은 쉽게 찢어지는 단점이 있었으나, 최근에는 두 가지 고분자 네트워크를 형성하여 힘을 분산시키는 '터프 하이드로젤' 기술이 개발되었습니다. 이를 통해 물리적 한계를 극복하고 다양한 산업 분야에서 활용될 가능성을 열었으며, 이는 재료공학의 새로운 지평을 제시하고 있습니다. 하이드로젤의 또 다른 매력은 내부의 물에 이온을 녹여 전기를 흐르게 할 수 있다는 점입니다. 이러한 이온 전도성을 활용하면 신축성이 뛰어난 전기 장치를 제작할 수 있습니다. 대표적인 예로 팔에 감아도 파괴되지 않는 유연한 터치패드가 있습니다. 기존의 딱딱한 소재와 달리 인체 곡면에 밀착되어 동작하며, 늘어난 상태에서도 정확하게 위치를 인식합니다. 이는 웨어러블 기기와 헬스케어 분야에서 하이드로젤이 핵심적인 역할을 할 것임을 시사하며, 인간과 기기의 경계를 허무는 기술로 주목받고 있습니다. 나노기술은 1에서 100나노미터 크기의 물질을 다루는 첨단 과학입니다. 1나노미터는 1미터를 10억 개로 쪼갠 아주 작은 단위로, 원자와 분자의 세계를 탐구하는 영역입니다. 가시광선의 파장보다 작아 일반 현미경으로는 볼 수 없지만, 전자현미경이나 원자간력 현미경의 발달로 이제 인류는 원자의 배열을 직접 관찰하고 조작할 수 있게 되었습니다. 이러한 미세 세계에 대한 이해는 물질의 근본적인 성질을 변화시켜 이전에는 불가능했던 새로운 기능을 창출하는 기반이 되며 현대 과학의 핵심 동력이 되고 있습니다. 자연은 이미 오래전부터 나노기술을 완벽하게 활용해 왔습니다. 게코도마뱀은 발바닥의 미세한 나노 털과 벽면 사이의 인력을 이용해 접착제 없이도 벽을 타며, 연꽃잎은 나노 돌기 구조를 통해 물방울이 오물을 씻어내게 하는 자가 세정 능력을 보여줍니다. 또한 나비나 카멜레온은 나노 구조를 조절하여 빛을 반사하거나 가둠으로써 영롱한 색채를 만들어냅니다. 과학자들은 이러한 자연의 지혜를 모방하여 반사가 없는 화면이나 오염되지 않는 코팅제 등 혁신적인 제품을 개발하며 자연과 기술의 융합을 꾀하고 있습니다. 탄소나노튜브와 그래핀 같은 신소재는 나노 세계의 가능성을 극명하게 보여줍니다. 흑연의 한 층을 떼어낸 그래핀은 강철보다 수백 배 강하면서도 전기가 매우 잘 통하는 꿈의 물질로 불립니다. 또한 속이 빈 원통형 구조의 탄소나노튜브는 거미줄보다 수십 배 강한 인장 강도를 지녀 방탄복이나 초경량 고강도 부품 제작에 활용됩니다. 이외에도 공기로 가득 찬 에어로젤은 열 차단 능력이 뛰어나 우주선 단열재로 쓰이는 등, 나노 구조의 설계에 따라 물질의 한계를 뛰어넘는 특성을 구현하여 산업 전반에 혁신을 일으키고 있습니다. 우리 일상 곳곳에도 이미 나노기술이 깊숙이 들어와 있습니다. 자외선 차단제 속의 나노입자는 피부를 보호하고, 은 나노입자는 박테리아 증식을 막아 위생적인 환경을 제공합니다. 의료 분야에서는 암세포만을 찾아가는 나노 운반체나 통증 없는 마이크로니들 패치 등이 연구되어 질병 진단과 치료의 패러다임을 바꾸고 있습니다. 또한 수소 연료전지의 촉매나 고해상도 디스플레이의 양자점 기술 등은 에너지 효율을 높이고 인류의 삶을 더욱 풍요롭게 만드는 데 기여하고 있으며, 이는 나노기술이 단순한 이론을 넘어 실재함을 증명합니다. 나노기술의 미래는 인류의 지속 가능한 발전과 밀접하게 연결되어 있습니다. 환경 오염 문제를 해결하고 에너지 소비를 줄이는 기술적 해법을 제시하는 동시에, 기술 발전이 가져올 수 있는 사회적 격차에 대한 고민도 필요합니다. 첨단 의료 혜택이 특정 계층에만 집중되지 않도록 적정 기술을 개발하고 정책적인 고려를 병행해야 합니다. 과학적 호기심에서 시작된 나노 세계의 탐구는 이제 인류 공동의 문제를 해결하고 더 나은 미래를 설계하는 강력한 도구로 진화하고 있으며, 우리는 그 가능성을 책임감 있게 실현해 나가야 합니다.

윤효재, 이광렬

카오스재단카오스강연

화학

[강연] 분자 관람 : 공학의 미학 _ by이동환｜2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 7강 | 7강 ①

화학은 단순히 반응식의 양쪽 숫자를 맞추는 학문이 아닙니다. 원자들이 모여 새로운 성질을 갖는 분자를 만들어내는 '분자 공학'의 영역에 가깝습니다. 여기서 공학이란 단순히 무언가를 만드는 기술을 넘어, 공간(空間)에 대한 깊은 탐구와 이해를 바탕으로 합니다. 보이지 않는 미시 세계에서 원자들이 어떤 위치에 놓이고 어떻게 연결되는지를 설계하는 과정은 마치 정교한 건축물을 짓는 것과 같습니다. 이러한 관점에서 화학은 물질의 정체성을 규정하는 공간의 학문이라 할 수 있습니다. 복잡해 보이는 분자 구조 속에는 의외로 단순한 규칙과 패턴이 숨어 있습니다. 네덜란드의 예술가 에셔의 작품이나 알함브라 궁전의 테셀레이션처럼, 기본 단위의 반복과 대칭을 통해 무한한 공간을 채워나가는 원리가 화학 세계에도 적용됩니다. 1억 개가 넘는 방대한 화학 물질 데이터베이스 속에서도 과학자들이 끊임없이 새로운 분자를 설계할 수 있는 이유는 이러한 대칭의 미학을 이해하고 활용하기 때문입니다. 복잡함은 결국 패턴을 읽어내는 눈을 통해 질서 정연한 아름다움으로 변모합니다. 분자의 세계를 이해하기 위해서는 2차원 평면을 넘어 3차원 공간의 대칭성을 파악해야 합니다. 점, 선, 면을 기준으로 물체를 회전시키거나 반사했을 때 전후가 구별되지 않는 상태를 대칭적이라고 합니다. 눈 결정의 육각형 구조에서 볼 수 있듯이, 자연은 고도의 규칙성을 통해 안정과 미학을 동시에 달성합니다. 화학자들은 이러한 대칭 요소를 수학적으로 분석하여 분자가 공간에서 어떻게 살아 움직이는지, 그리고 어떤 방향성을 가지고 상호작용하는지를 정밀하게 예측하고 설계합니다. 거울에 비친 모습과 실제 모습이 겹쳐지지 않는 '카이랄성'은 화학에서 매우 중요한 개념입니다. 왼손과 오른손처럼 구조는 같아 보이지만 공간적 배열이 다른 이 분자들은 우리 몸속에서 전혀 다르게 작용합니다. 어떤 분자는 달콤한 맛을 내지만 그 거울상 이성질체는 쓴맛을 내기도 하며, 때로는 치명적인 부작용을 일으키는 약물이 되기도 합니다. 우리 몸을 구성하는 DNA와 아미노산이 특정한 방향성을 갖기 때문에 발생하는 이러한 현상은 생명의 신비와 화학적 정교함이 만나는 지점입니다. 최근 화학계는 원자와 원자가 전자를 공유하는 전통적인 결합을 넘어, 고리와 고리가 기계적으로 얽힌 '기계적 결합'에 주목하고 있습니다. 분자 매듭이나 카테네인처럼 서로 빠져나올 수 없게 연결된 구조는 외부 신호에 따라 움직이는 분자 기계의 기초가 됩니다. 이는 화학 결합의 개념을 확장한 사고의 전환이며, 전자의 움직임을 제어하여 분자 수준에서 회전이나 직선 운동을 구현하는 혁신적인 시도입니다. 이러한 기계적 결합은 분자가 단순한 물질을 넘어 기능을 수행하는 도구가 될 수 있음을 보여줍니다. 복잡한 분자를 합성하는 과정은 목적지를 향해 거꾸로 길을 찾아가는 '역합성 분석'에서 시작됩니다. 최종 생성물을 만들기 위해 어떤 중간 단계가 필요한지, 가장 효율적이고 창의적인 경로는 무엇인지를 고민하는 과정은 고도의 논리적 사고를 요구합니다. 최근에는 인공지능이 방대한 데이터를 바탕으로 합성 경로를 제안하기도 하지만, 예상치 못한 실패 속에서 새로운 반응을 발견하고 원리를 깨닫는 것은 여전히 인간 화학자의 몫입니다. 합성은 단순한 제조가 아니라 문제를 해결하는 철학적 훈련이기도 합니다. 합성 화학의 거장 우드워드는 분자 합성을 단순한 기술이 아닌 '예술(Art)'의 경지로 끌어올렸습니다. 자연계에 존재하는 복잡한 비타민이나 엽록소를 실험실에서 재현하려는 노력은 물질이 부족해서가 아니라, 자연의 원리를 깊이 이해하고 인간의 창의성을 시험하기 위한 여정이었습니다. 화학자들은 보이지 않는 분자 세계의 건축가이자 예술가로서, 널리 인간을 이롭게 하고 생명의 신비를 밝히는 아름다운 구조물을 만들어갑니다. 결국 화학은 공간을 이해하고 생명을 따라 그리며 지식을 공유하는 학문입니다.

이동환, 이윤호

카오스재단카오스강연

화학

[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

[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

카오스재단카오스강연

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

[석학인터뷰] [KAOS x KIAS] 라스 브링크(노벨물리학상 위원회) _ 한국 학생들의 창의성이 부족하다고? Never!

인류는 아주 오래전부터 죽음을 극복하고 불멸을 누리기를 꿈꿔왔습니다. 과거에는 신화나 전설 속의 이야기로만 치부되었던 불멸의 꿈이 현대 과학의 발전과 함께 점차 현실적인 연구 과제로 부상하고 있습니다. 생명공학의 비약적인 발전은 노화의 기전을 밝혀내고 이를 늦추거나 되돌릴 수 있는 가능성을 제시하며, 인간의 수명을 획기적으로 연장하려는 시도로 이어지고 있습니다. 이러한 기술적 진보는 단순한 생존을 넘어 인간 존재의 본질에 대한 근본적인 질문을 던지게 만듭니다. 우리는 이제 죽음이라는 필연적 한계에 도전하며 새로운 진화의 단계를 준비하고 있습니다. 불멸을 향한 기술적 접근은 크게 생물학적 방식과 디지털 방식으로 나뉩니다. 생물학적으로는 세포의 노화를 결정하는 텔로미어의 길이를 조절하거나 유전자 편집 기술을 통해 질병에 대한 저항력을 극대화하는 연구가 진행 중입니다. 반면, 디지털 방식은 의식 업로드를 통해 육체의 한계를 벗어나려는 시도를 포함합니다. 이러한 연구들은 아직 초기 단계에 머물러 있지만, 과학계는 머지않은 미래에 인간이 노화를 질병처럼 치료할 수 있는 시대가 올 것이라고 조심스럽게 예측하고 있습니다. 이는 인류가 유지해온 생명의 패러다임을 뒤바꾸는 혁명적인 변화가 될 것입니다. 하지만 새로운 기술의 등장은 언제나 예상치 못한 위험과 윤리적 논쟁을 동반합니다. 불멸의 기술을 실험하는 과정에서 발생할 수 있는 부작용이나 사회적 불평등 문제는 우리가 반드시 해결해야 할 과제입니다. 만약 특정 계층만이 불멸의 혜택을 누리게 된다면, 이는 인류 역사상 유례없는 심각한 계급 격차를 초래할 수 있습니다. 또한, 죽음이 사라진 세상에서 삶의 가치와 의미가 어떻게 변할지에 대한 철학적 고찰도 필요합니다. 기술의 완성도만큼이나 이를 수용할 사회적 합의가 중요한 이유입니다. 기술이 인간을 지배하는 것이 아니라, 인간이 기술을 통해 더 나은 삶을 설계할 수 있는 지혜가 필요합니다. 과학적 실험은 때로 개인의 삶과 밀접하게 연결되어 예기치 못한 순간을 만들어내기도 합니다. 기술의 진보를 증명하기 위해 위험을 감수하는 실험자들의 헌신은 인류 발전에 기여하지만, 그 이면에는 가족의 걱정과 일상의 소중함이 자리 잡고 있습니다. 우리는 기술의 혜택과 위험 사이에서 아슬아슬한 균형을 유지하며 살아갑니다. 진정한 불멸이란 단순히 생물학적 생존을 넘어, 우리가 남긴 가치와 기억이 다음 세대로 이어지는 과정일지도 모릅니다. 우리는 매 순간 삶의 유한함을 느끼면서도, 동시에 영원히 기억될 무언가를 남기기 위해 끊임없이 노력하며 살아갑니다. 결국 불멸의 기술은 인간이 자연의 섭리에 도전하는 가장 대담한 시도 중 하나가 될 것입니다. 과학은 불가능해 보였던 영역을 하나씩 정복해 나가고 있으며, 그 과정에서 우리는 생명의 소중함을 다시금 깨닫게 됩니다. 기술이 가져올 미래가 축복이 될지 재앙이 될지는 결국 인간이 그 기술을 어떻게 정의하고 활용하느냐에 달려 있습니다. 끊임없는 탐구와 성찰을 통해 우리는 기술과 인간성이 조화를 이루는 길을 찾아야 하며, 그것이 진정한 의미의 인류 발전으로 나아가는 방향일 것입니다. 불멸이라는 거대한 꿈을 향한 여정은 이제 막 시작되었으며, 그 끝에서 우리가 마주할 미래는 지금의 상상을 뛰어넘을 것입니다.

Lars Elof Gustaf Brink(라스 브링크)

카오스재단석학인터뷰

물리학
융합

[파인만의 물리이야기] 전시해설 영상

리처드 파인만은 20세기 최고의 천재 물리학자로 손꼽히며, 그의 독창적인 강의는 오늘날까지도 전 세계 물리학도들에게 전설로 남아 있습니다. 1965년 양자 전기역학 이론으로 노벨 물리학상을 수상한 그는 복잡한 수식을 시각화한 '파인만 다이어그램'을 통해 이론 물리학에 혁명적인 변화를 불러일으켰습니다. 그의 삶은 단순히 학문에만 국한되지 않았으며, 봉고 연주를 즐기고 챌린저 호 사고의 원인을 규명하는 등 다방면에서 열정적인 모습을 보여주었습니다. 이러한 그의 인간적인 면모와 과학적 업적은 현대 과학이 대중에게 친숙하게 다가가는 데 큰 역할을 했습니다. 파인만은 만약 후대에 단 한 문장의 과학 지식만을 남겨야 한다면, "모든 물질은 원자로 이루어져 있다"는 말을 선택하겠다고 했습니다. 이 짧은 문장에는 세상의 작동 원리를 파악할 수 있는 방대한 정보가 담겨 있기 때문입니다. 원자적 관점에서 세상을 바라보면, 우리 주변의 공기부터 거대한 별에 이르기까지 모든 현상을 논리적으로 설명할 수 있습니다. 이는 단순히 물질의 구성을 넘어, 상상력을 더해 우주의 기원과 생명의 본질을 탐구하는 출발점이 됩니다. 원자는 보이지 않는 미시 세계의 주인공이자, 거시 세계를 지탱하는 가장 근본적인 토대입니다. 기체 분자들의 움직임을 살펴보면 원자의 역동성을 실감할 수 있습니다. 산소나 질소 분자는 초속 수백 미터의 빠른 속도로 움직이며, 수소와 같은 가벼운 원소는 지구 중력을 이기고 우주로 탈출할 만큼 강력한 에너지를 가집니다. 우리가 느끼는 온도는 사실 이러한 입자들의 평균 운동 에너지가 겉으로 드러난 물리량에 불과합니다. 입자의 운동이 활발해질수록 온도는 상승하며, 이는 절대온도의 개념으로 연결됩니다. 우리가 차갑거나 뜨겁다고 느끼는 감각은 실제 측정된 온도와 차이가 있을 수 있지만, 그 근원에는 항상 쉴 새 없이 움직이는 원자들의 에너지가 자리 잡고 있습니다. 물은 원자들의 결합이 만들어내는 가장 신비로운 물질 중 하나입니다. 대부분의 물질은 액체에서 고체가 될 때 부피가 줄어들지만, 물은 얼음이 되면서 육각형 격자 구조를 형성해 오히려 부피가 팽창하고 밀도가 낮아집니다. 또한, 물 분자의 극성은 소금과 같은 물질을 이온화시켜 녹이는 전기적 상호작용의 핵심이 됩니다. 증발 현상 역시 물 분자들이 표면에서 튀어 나가며 주변의 열을 빼앗아가는 과정으로 설명할 수 있습니다. 이처럼 일상적인 현상들 속에는 원자와 분자들이 끊임없이 충돌하고 결합하며 만들어내는 정교한 물리 법칙이 숨어 있습니다. 물질의 성질은 어떤 원자로 구성되었는지뿐만 아니라, 그 원자들이 어떻게 결합하느냐에 따라 완전히 달라집니다. 대표적인 예로 탄소 원자는 결합 방식에 따라 세상에서 가장 단단한 다이아몬드가 되기도 하고, 부드러운 흑연이 되기도 합니다. 이러한 원리의 확장은 현대 나노기술의 토대가 되었으며, 파인만은 이미 1950년대에 미시 세계의 무한한 가능성을 예견했습니다. 생명체 역시 예외는 아닙니다. DNA와 단백질 같은 복잡한 고분자들도 결국 수소, 탄소, 질소 등 몇 가지 원자들의 정교한 조합으로 이루어져 있으며, 이는 생명 현상이 원자 수준의 화학 반응임을 시사합니다. 우주의 역사를 거슬러 올라가면 원자의 탄생은 137억 년 전 빅뱅과 맞닿아 있습니다. 초고온의 우주가 식어가면서 쿼크들이 결합해 양성자와 중성자를 만들었고, 이들이 다시 전자를 붙잡아 비로소 원자가 형성되었습니다. 우주의 대부분을 차지하는 수소와 헬륨은 이러한 태초의 과정을 거쳐 탄생한 결과물입니다. 원자핵의 내부를 들여다보면 위 쿼크와 아래 쿼크의 조합이 전하량을 결정하며 물질의 기본 단위를 구성합니다. 별의 내부에서 일어나는 핵융합을 통해 더 무거운 원소들이 만들어졌고, 이 원소들이 흩어져 지구와 우리 몸을 구성하는 재료가 되었다는 사실은 경이로움을 자아냅니다. 우리 몸은 약 34종의 원소로 구성되어 있으며, 질량 기준으로 산소와 탄소가 대부분을 차지합니다. 흥미로운 점은 우리 몸을 이루는 원자들이 고정된 것이 아니라, 1년 동안 약 98%가 새로운 원자로 교체되며 끊임없이 자연과 순환한다는 사실입니다. 피부는 2주마다, 적혈구는 120일마다 완전히 새로운 원자들로 채워집니다. 결국 '나'라는 존재는 고정된 물질 덩어리가 아니라, 원자들이 잠시 머물다 가는 역동적인 흐름의 장이라고 할 수 있습니다. 원자적 관점에서 보면 생물과 무생물, 그리고 인간과 자연 사이의 경계는 허물어지며 우리는 모두 거대한 우주의 일부임을 깨닫게 됩니다.

국립과천과학관과학실험교실🧪

물리학
화학
생명과학
천문학

[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.

카오스재단술술과학

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.

카오스재단술술과학

물리학
융합

[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] 물질이 파동이라고?

빛이 파동이면서 동시에 입자라는 사실은 현대 물리학의 놀라운 발견 중 하나입니다. 하지만 더욱 황당하고 신비로운 이야기는 우리가 흔히 '물질'이라고 부르는 것들조차 파동의 성질을 지니고 있다는 점입니다. 우리 몸과 같은 거대한 물질 덩어리가 물결처럼 출렁이며 움직인다는 상상은 선뜻 받아들이기 어렵지만, 양자 역학의 세계에서는 이것이 엄연한 사실로 통용됩니다. 파동은 동시에 여러 곳에 존재할 수 있는 특성을 가지며, 이는 물질의 존재 방식에 대한 우리의 상식을 완전히 뒤흔들어 놓습니다. 프랑스의 과학자 드브로이는 물질이 파동이라는 '물질파' 이론을 처음으로 제시하며 과학계에 큰 충격을 주었습니다. 그는 빛이 파동이면서 입자처럼 행동하듯, 입자로 보이는 물질도 파동처럼 행동할 수 있다는 발상의 전환을 꾀했습니다. 아인슈타인조차 극찬했던 이 이론은 입자와 파동이 결국 동전의 양면과 같으며, 빛과 물질이 근본적으로 하나라는 심오한 철학적 함의를 담고 있습니다. 겉으로 보기에는 단단한 알갱이처럼 보이는 전자나 원자들도 특정 조건에서는 파동의 성질을 드러내게 됩니다. 물질의 파동성을 증명하기 위해 과학자들은 빛의 간섭 현상을 확인했던 이중 슬릿 실험을 전자에 적용했습니다. 일본의 토노무라 교수는 전자 알갱이를 하나씩 쏘아 올리는 정밀한 실험을 진행했는데, 놀랍게도 스크린에는 파동만이 만들어낼 수 있는 간섭 무늬가 나타났습니다. 각각의 전자가 독립적으로 움직였음에도 불구하고, 전체적인 결과는 마치 전자들이 서로 약속이라도 한 듯 파동의 형태를 띠었습니다. 이는 미시 세계의 입자가 우리가 아는 고전적인 물리 법칙과는 전혀 다르게 작동함을 보여주는 결정적인 증거입니다. 실험의 대상은 전자와 같은 미립자를 넘어 더 큰 분자 단위로 확장되었습니다. 탄소 60개가 축구공 모양으로 결합한 '버키볼' 분자를 이용한 이중 슬릿 실험에서도 간섭 무늬가 발견되었습니다. 버키볼은 전자에 비해 훨씬 거대한 입자임에도 불구하고, 두 개의 슬릿을 동시에 통과하는 파동의 특성을 고스란히 보여주었습니다. 하나의 입자가 동시에 두 곳을 통과해야만 나타날 수 있는 이 현상은, 물질의 크기가 커지더라도 근본적인 파동성은 여전히 존재한다는 사실을 입증하며 양자 역학의 경계를 넓혔습니다. 현재 과학자들은 바이러스나 단세포 생물과 같이 더욱 복잡한 생명체를 대상으로 물질파 실험을 계획하고 있습니다. 만약 생명력을 가진 존재가 이중 슬릿을 통과해 간섭 무늬를 남기면서도 생존할 수 있다면, 이는 생명과 물질의 본질에 대한 거대한 질문을 던지게 될 것입니다. 드브로이의 이론에 따르면 물질이 커질수록 파동성은 약해지지만, 결코 사라지는 것은 아닙니다. 결국 이 세상의 모든 만물은 입자이면서 동시에 파동이라는 이중적인 진실 속에 존재하며, 우리는 그 신비로운 조화 속에서 살아가고 있습니다.

카오스재단술술과학

물리학

[강연] 미래의 기원 (1) _ by이관수 | 2017 가을 카오스 강연 '미래과학' 10강 | 10강 ①

미래 과학에 대한 논의는 흔히 앞으로 다가올 화려한 기술적 진보와 무한한 가능성에 초점을 맞추곤 합니다. 하지만 진정한 미래를 이해하기 위해서는 우리가 미래를 바라보는 방식 자체를 점검해 볼 필요가 있습니다. 과학사학자의 관점에서 본 미래는 단순히 새로운 것을 만들어내는 과정이 아니라, 과거로부터 이어져 온 인간의 사고방식이 투영된 결과물입니다. 우리는 현재의 연구가 미래에 미칠 영향력을 분석하기에 앞서, 인류가 과학과 미래라는 개념을 어떤 틀 안에서 정의해 왔는지 비판적으로 성찰해야 합니다. 많은 이들이 과학이 모든 문제를 해결해 줄 것이라는 무한한 긍정의 믿음을 가지고 있습니다. 그러나 방사성 폐기물 처리 문제에서 볼 수 있듯이, 자연의 기본 법칙은 인간의 의지로 바꿀 수 없는 영역이 존재합니다. 논리 회로의 기본인 노어(NOR) 게이트가 부정의 조합만으로 모든 논리를 구현하듯, 과학에서 '불가능함'을 인식하는 것은 매우 중요합니다. 무한한 가능성만을 쫓기보다 과학이 보여주는 명확한 한계를 인정할 때, 비로소 우리는 현실적이고 견고한 미래를 설계할 수 있는 힘을 얻게 됩니다. 과학이 증명한 절대적 불가능성은 인류의 지적 자산입니다. 에너지 보존 법칙이 무한 동력 기관의 불가능을 선언하고, 수학이 평면을 메우는 오각형 타일링의 가짓수를 제한하는 것은 우리 세계의 확고한 질서를 보여줍니다. 최근의 생물학적 연구 또한 다세포 생물의 노화와 죽음이 피할 수 없는 논리적 결과임을 시사합니다. 이러한 불가능의 영역들은 우리의 꿈을 짓밟는 장벽이 아니라, 오히려 우리가 발을 딛고 서 있는 현실의 경계를 명확히 해주는 소중한 이정표 역할을 수행하며 더 나은 방향을 제시합니다. 지식의 확장은 역설적으로 우리가 모르는 영역을 더 넓게 만듭니다. 루트비히 플렉의 비유처럼 과학자가 지식의 최전선에서 밝은 영역을 넓혀갈수록, 그 주변을 둘러싼 모호한 해석의 영역과 칠흑 같은 미지의 영역도 함께 확장됩니다. 아는 것이 늘어날수록 질문은 더 많아지고, 확실함보다는 긴가민가한 불확실성이 우리를 더 자주 찾아오게 됩니다. 따라서 미래 과학의 발전은 단순히 정답을 찾아가는 과정이 아니라, 우리가 직면한 거대한 무지의 영토를 확인하고 그 경계에서 겸허함을 배우는 과정이라 할 수 있습니다. 공상과학 소설(SF)은 종종 미래를 예언하는 것처럼 보입니다. 스타트렉의 통신기나 영화 속 태블릿 PC가 현실이 된 사례들은 SF의 통찰력을 증명하는 듯합니다. 하지만 '멋진 신세계'가 유전자의 개념조차 없던 시절에 쓰였음에도 오늘날 유전공학의 상징처럼 여겨지는 것은, 우리가 과학적 메커니즘보다 외형적 유사성에 더 집중하기 때문입니다. SF는 미래를 직접 보여주는 거울이라기보다 인간의 욕망과 상상력이 과학이라는 옷을 입고 나타난 결과물이며, 우리는 그 속에서 과학적 사실과 허구의 경계를 구분할 줄 알아야 합니다.

이관수

카오스재단카오스강연

물리학
융합

[강연] 단백질 : 3차원의 마술사 (3) 김성훈 교수 | 2017 봄 카오스강연 '물질에서 생명으로' 4강 | 4강 ③

단백질은 우리 몸을 구성하고 생명 현상을 유지하는 핵심 물질이지만, 때로는 질병을 일으키는 '하이드'와 같은 양면성을 지니고 있습니다. 정상적인 구조를 유지하던 단백질이 열이나 외부 요인에 의해 변성되면 서로 엉겨 붙어 침전물을 형성하게 됩니다. 이러한 현상은 신경세포를 손상시켜 치매나 파킨슨병과 같은 퇴행성 질환의 원인이 되기도 합니다. 따라서 단백질의 구조적 안정성을 이해하는 것은 생명 유지뿐만 아니라 질병 치료를 위해서도 매우 중요한 과제입니다. 생명체 내에서 DNA가 유전 정보를 안정적으로 보존하는 역할을 한다면, 단백질은 역동적인 움직임을 통해 실질적인 기능을 수행합니다. 단백질은 고정된 형태에 머무르지 않고 유동적인 구조를 가짐으로써 환경 변화에 적응하고 다양한 생화학 반응에 참여합니다. 우리 몸은 단백질이 적절한 양과 올바른 구조를 유지하도록 단백질 항상성을 조절하는 정교한 시스템을 갖추고 있으며, 변성 과정에 있는 단백질을 다시 교정하는 보호 장치들을 통해 건강을 유지합니다. 단백질의 복잡성은 단순히 아미노산 서열에서 끝나는 것이 아니라, 합성 이후에 일어나는 '번역 후 변형' 과정을 통해 더욱 심화됩니다. 수천 가지 이상의 다양한 변화를 거치며 단백질은 비로소 고유의 기능을 완성하게 되는데, 이 조절 과정에 문제가 생기면 심각한 질환으로 이어질 수 있습니다. 하나의 유전자로부터 파생된 단백질이 여러 가지 형태와 기능을 가질 수 있다는 점은 생명 현상의 신비로움을 보여주는 동시에, 우리가 탐구해야 할 영역이 무궁무진함을 시사합니다. 최근 4차 산업혁명의 핵심 기술인 인공지능(AI)은 단백질 연구 분야에서도 혁신적인 변화를 일으키고 있습니다. 방대한 데이터를 학습한 AI는 복잡한 단백질 구조를 예측하고, 자연계에 존재하지 않는 새로운 기능의 단백질을 설계하는 데 활용됩니다. 이는 마치 바둑의 기보를 학습한 알파고처럼, 아미노산의 조합을 통해 최적의 구조를 찾아내는 과정입니다. 이러한 기술적 진보는 고효율 인공 효소 개발이나 맞춤형 신약 설계의 가능성을 열어주고 있습니다. 결국 생명과학 연구의 궁극적인 지향점은 인류의 건강 증진과 질병 치료에 있습니다. 우리 몸에서 일어나는 대부분의 생리 현상과 질병의 원인이 단백질과 밀접하게 연관되어 있기에, 단백질은 가장 실질적이고 중요한 치료 표적이 됩니다. DNA나 RNA 연구가 생명의 설계도를 이해하는 과정이라면, 단백질 연구는 그 설계도를 바탕으로 지어진 건물을 유지하고 보수하는 실천적인 학문입니다. 앞으로도 단백질에 대한 깊이 있는 연구는 인류의 삶의 질을 높이는 핵심 동력이 될 것입니다.

김성훈, 신석민, 한병우

카오스재단카오스강연

생명과학

[강연] 자연에 없던 물질 만들기 (5) _이병호 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 9강 | 9강 ⑤

빛은 우리 일상 어디에나 존재하지만, 그 본질은 전자기파라는 복합적인 물리 현상입니다. 맥스웰의 이론에 따르면 전기장이 변화하면 반드시 자기장이 형성되며, 빛은 바로 이 전기장과 자기장이 결합하여 진행하는 형태를 띱니다. 최근 반도체 소자 연구에서는 빛의 편광 특성을 이용해 전자 하나하나의 움직임을 제어하는 수준에 도달했습니다. 특정 방향으로 회전하는 빛을 쬐어 전자의 운동 방향을 바꾸면 미세한 자기장이 형성되는데, 이는 현대 기술이 원자 단위의 정밀한 제어를 실현하고 있음을 보여주는 사례입니다. 일반적인 렌즈는 시야각의 한계로 인해 물체의 단면만을 포착하지만, 음굴절 렌즈는 3차원 정보를 온전히 전달할 수 있는 혁신적인 가능성을 제시합니다. 음굴절 렌즈를 통과하는 빛은 모든 방향으로 퍼져 나갔던 정보를 다시 원래의 점으로 모으는 특성을 가집니다. 이는 물체를 구성하는 수많은 점광원의 정보를 입체적으로 재구성할 수 있음을 의미하며, 결과적으로 홀로그램과 유사한 3차원 이미징 구현을 가능하게 합니다. 기존 광학계의 한계를 뛰어넘어 물체의 앞면뿐만 아니라 옆면과 위아래 정보를 동시에 전달하는 기술적 토대가 마련되고 있는 것입니다. 빛의 속도가 관측자의 상태와 무관하게 일정하다는 사실은 현대 물리학의 근간을 이루는 중요한 원리입니다. 과거 과학자들은 지구가 움직임에 따라 빛의 속도도 변할 것이라 예상했지만, 마이컬슨의 정밀한 간섭계 실험은 방향이나 계절에 상관없이 빛의 속도가 불변함을 증명했습니다. 아인슈타인은 이를 바탕으로 특수상대성 이론을 정립하며 절대적인 공간이나 좌표의 개념을 타파했습니다. 실험적 발견과 이론적 뒷받침이 결합하여 탄생한 이 원리는 우리가 우주를 이해하는 방식을 근본적으로 바꾸어 놓았으며, 오늘날 메타물질 연구의 기초가 되는 전자기학 발전에도 큰 영향을 미쳤습니다. 자연계에서 유전율과 투자율이 동시에 음의 값을 갖는 물질을 찾기 어려운 이유는 각 성질이 반응하는 공진 주파수가 서로 다르기 때문입니다. 금속의 경우 가시광선 영역에서 음의 유전율을 가지지만, 자기장에 반응하는 투자율은 진공과 유사한 값을 유지합니다. 유전율은 전기장에 의한 전자의 움직임에 좌우되는 반면, 투자율은 자기장에 의한 전류의 흐름과 관련이 있어 반응 속도에서 차이가 발생합니다. 메타물질 연구는 이러한 자연적 제약을 극복하기 위해 인공적인 구조물을 설계하여 유전율과 투자율을 동시에 제어함으로써, 자연에 존재하지 않는 독특한 광학적 특성을 구현하는 데 집중하고 있습니다. 메타물질 기술이 실용화되기 위해서는 특정 파장에서만 작동하는 색수차 문제와 같은 기술적 난제를 해결해야 합니다. 현재는 공진 현상에 의존하지 않고 넓은 파장 대역에서 일관된 성능을 내는 광대역 메타물질 연구가 활발히 진행 중입니다. 과학의 역사는 비선형적으로 발전하며, 창의적인 아이디어가 기술적 한계를 돌파하는 원동력이 되어왔습니다. 미래를 예측하는 가장 좋은 방법은 스스로 미래를 창조하는 것이라는 말처럼, 젊은 연구자들의 도전적인 발상은 메타물질을 통해 우리가 상상만 하던 투명 망토나 초고해상도 렌즈와 같은 혁신적인 미래를 현실로 만들어갈 것입니다.

김휘, 이병호, 최현용

카오스재단카오스강연

물리학

[강연] 자연에 없던 물질 만들기 (4) _이병호 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 9강 | 9강 ④

메타물질은 자연계에 존재하지 않는 성질을 인위적으로 설계하여 구현한 혁신적인 신물질입니다. 그리스어 '메타'에서 유래한 이 용어는 기존 물질의 한계를 넘어선다는 의미를 담고 있습니다. 최근 학계에서는 굴절률을 자유자재로 조절하거나 파장보다 작은 나노구조를 활용해 새로운 광학적 특성을 만들어내는 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 이러한 기술은 단순히 이론적 탐구에 머물지 않고, 우리가 사물을 인식하는 방식과 미래의 산업 지형을 근본적으로 바꿀 잠재력을 지니고 있습니다. 대중에게 가장 잘 알려진 메타물질의 응용 사례는 단연 투명 망토입니다. 영화 속 마법처럼 느껴지지만, 과학적으로는 빛이 물체를 피해 뒤로 돌아가게 함으로써 물체를 보이지 않게 만드는 원리를 이용합니다. 다만 현재 기술로는 특정 단일 파장에서만 작동하며, 가시광선의 넓은 대역을 모두 커버하기에는 여전히 많은 과제가 남아 있습니다. 이론적으로는 충분히 가능성이 증명되었으나, 이를 현실에서 완벽하게 구현하기 위해서는 나노 단위의 정밀한 공정 기술과 더불어 빛의 흐름을 제어하는 깊이 있는 연구가 뒷받침되어야 합니다. 투명 망토 기술은 단순히 시각적인 은폐를 넘어 군사 및 산업 분야에서 실질적인 변화를 이끌어내고 있습니다. 레이더망을 피하는 스텔스 기능이나 잠수함의 소나 파동을 흡수하는 기술이 대표적인 연구 분야입니다. 또한, 열화상 카메라에 포착되지 않도록 엔진에서 발생하는 열을 제어하는 연구도 정밀하게 진행 중입니다. 상용화에 가장 근접한 분야는 안테나 기술로, 메타물질을 활용해 안테나의 크기를 획기적으로 줄이면서도 송수신 효율을 극대화하는 성과를 거두며 통신 기술의 발전을 견인하고 있습니다. 광속에 대한 논의는 메타물질 연구에서 매우 흥미로운 주제 중 하나입니다. 굴절률이 0이거나 음수인 메타물질 내에서는 위상 속도가 우주 공간에서의 광속보다 빠르게 나타날 수 있습니다. 이는 문법적으로나 물리적으로 불가능해 보이지만, 파동의 특정 패턴이 이동하는 속도를 의미하는 것이기에 과학적으로 설명이 가능합니다. 이러한 현상은 빛이 에너지를 가득 채운 상태에서 나타나는 독특한 물리적 특성으로, 우리가 알고 있는 고전적인 물리 상식을 뛰어넘는 새로운 시각과 탐구 영역을 제공합니다. 하지만 광속보다 빠른 현상이 존재한다고 해서 아인슈타인의 상대성이론이 부정되는 것은 아닙니다. 정보나 에너지가 전달되는 속도는 여전히 진공에서의 광속을 넘을 수 없기 때문입니다. 메타물질 내부에서 관찰되는 초광속 현상은 에너지의 실질적인 흐름이 아닌 파면의 움직임에 국한됩니다. 즉, 데이터나 에너지는 물리적 한계 내에서 이동하되, 그 내부의 위상 변화만이 빠르게 일어나는 구조입니다. 이는 과학적 엄밀함 속에서 발견된 메타물질만의 신비로운 조화이며, 물리 법칙의 테두리 안에서 일어나는 혁신입니다. 홀로그램 기술 역시 메타물질의 중요한 응용 분야로 손꼽힙니다. 진정한 홀로그램은 빛의 위상과 진폭을 정밀하게 변조하여 실제 물체가 있는 것과 동일한 광학적 환경을 조성하는 것입니다. 현재 우리가 흔히 접하는 공연장의 영상은 대개 유사 홀로그램 방식이지만, 메타물질 연구가 진전됨에 따라 더욱 완벽한 입체 영상 구현이 가능해질 전망입니다. 이는 물리적 거리를 극복하고 에너지를 절약하며, 시공간의 제약을 허무는 혁신적인 디스플레이 시대를 예고합니다. 멀리 떨어진 사람과 실제로 마주하는 듯한 경험이 현실이 되는 것입니다. 메타물질은 이제 공간을 넘어 시간의 영역까지 그 논의를 확장하고 있습니다. 시간에 대한 대칭성을 깨뜨려 특정 시간대의 사건을 은폐하거나 제어하는 '시간 투명 망토'와 같은 이론적 제안은 인류의 상상력을 자극합니다. 비록 아직은 고도의 물리적 수식과 이론의 단계에 머물러 있지만, 이러한 도전은 과학이 단순한 기술 개발을 넘어 철학적, 인문학적 질문에 답하는 과정임을 보여줍니다. 보이지 않는 것을 보게 하고 불가능을 가능케 하는 메타물질의 여정은 인류의 지평을 넓히는 중요한 열쇠가 될 것입니다.

김휘, 이병호, 최현용

카오스재단카오스강연

물리학

[강연] 응답하라, 작은 것들의 세계여 - 현미경과 미시세계 (3) _김성근 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 5강 | 5강 ③

2014년 노벨 화학상은 백 년 넘게 불가능이라 여겨졌던 광학 현미경의 회절 한계를 극복한 세 명의 과학자에게 돌아갔습니다. 전통적인 광학 현미경은 빛의 회절 현상 때문에 특정 크기보다 작은 바이러스나 세포 내부 구조를 선명하게 관찰하는 데 한계가 있었습니다. 전자 현미경은 분해능이 높지만 시료를 절단하거나 손상시켜야 하는 단점이 있는 반면, 광학 현미경은 살아있는 시료 내부를 그대로 볼 수 있다는 독보적인 장점이 있습니다. 이러한 미련을 버리지 못한 과학자들의 집념이 결국 초고분해능이라는 새로운 시대를 열었습니다. 윌리엄 모너는 세계 최초로 단일 분자를 실험적으로 관찰하는 데 성공하며 초고분해능 현미경의 개념적 토대를 마련했습니다. 그는 고체 결정 내의 아주 작은 농도로 존재하는 분자를 검출해냈을 뿐만 아니라, 특정 파장의 빛을 이용해 분자의 형광을 자유자재로 켜고 끄는 시스템을 개발했습니다. 분자가 형광을 내는 상태와 내지 않는 상태를 조절할 수 있게 된 이 기술은, 이후 등장하는 다양한 초고분해능 기술들의 핵심적인 원리가 되었습니다. 물리학적 기초를 바탕으로 화학적 한계를 극복한 그의 연구는 다학제적 연구의 중요성을 잘 보여줍니다. 에릭 베치그는 분자들이 동시에 빛을 내어 이미지가 겹치는 문제를 해결하기 위해 '시간차'라는 혁신적인 아이디어를 도입했습니다. 그는 모든 분자가 한꺼번에 형광을 내지 않도록 조절하여, 한 번에 아주 적은 수의 분자만 빛을 내게 한 뒤 그 위치를 각각 기록했습니다. 이렇게 서로 다른 시간대에 측정된 개별 분자들의 위치 정보를 하나로 중첩함으로써, 기존에는 흐릿하게 뭉쳐 보였던 이미지를 놀라울 정도로 선명하게 재구성하는 PALM 기술을 완성했습니다. 이는 관찰 대상을 개별적으로 분리하여 인식하려는 집요한 시도가 만들어낸 쾌거였습니다. 스테판 헬은 앞선 방식과는 전혀 다른 물리적 접근법인 STED 기술을 통해 분해능을 혁신했습니다. 그는 관찰하려는 면적을 연필 끝처럼 최대한 뾰족하게 줄여야 정확한 형상을 파악할 수 있다는 점에 주목했습니다. 이를 위해 유도 방출 원리를 이용해 도넛 모양의 레이저를 쏘아 주변부의 형광을 강제로 꺼 버리고, 오직 중심부의 좁은 영역에서만 빛이 나오도록 유도했습니다. 레이저의 강도를 높일수록 관찰 영역이 더욱 미세해지는 이 방식은, 기존 광학 현미경의 한계를 수십 배 이상 뛰어넘어 나노미터 수준의 정밀한 관찰을 가능하게 만들었습니다. 초고분해능 현미경 기술은 이제 치매의 원인 물질인 아밀로이드 섬유를 실시간으로 관찰하는 등 생명 과학 분야에서 혁명적인 변화를 일으키고 있습니다. 100년 넘은 난제에 도전하여 불가능을 가능으로 바꾼 과학자들의 사례는 우리에게 시사하는 바가 큽니다. 한 분야에 매몰되지 않는 다학제적 시각과 실패를 반복하면서도 굴하지 않는 끈기가 결합될 때 과학은 진보합니다. 살아있는 세포 내부의 움직임을 원자 수준에서 직접 눈으로 확인하려는 과학자들의 꿈은 이제 머지않은 미래의 현실로 다가오고 있습니다.

김성근

카오스재단카오스강연

물리학
화학

[강연] 응답하라, 작은 것들의 세계여 - 현미경과 미시세계 (2) _김성근 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 5강 | 5강 ②

우주와 같은 거대한 세계에 대한 호기심은 인간의 유한함을 자각하게 하지만, 작은 세계에 대한 관심은 자연의 작동 원리를 파헤치려는 열망에서 시작됩니다. 복잡한 현상을 낱낱이 분해하여 이해하려는 '환원주의'는 현대 과학의 근간을 이룹니다. 전체를 이해하기 위해 각 부분을 나누어 분석하고 이를 다시 합치는 과정은 복잡한 자연을 단순화하여 연구할 수 있게 해줍니다. 이러한 미시세계 탐구는 단순히 작은 것을 보는 행위를 넘어, 자연의 본질적인 메커니즘을 이해하는 첫걸음이 됩니다. 과거 인류는 흑사병과 같은 질병을 신의 벌이나 나쁜 공기 탓으로 돌리며 초자연적인 현상으로 이해하곤 했습니다. 하지만 현미경의 발달로 병원균의 존재가 드러나면서 인류의 인식은 혁명적인 변화를 맞이했습니다. 보이지 않던 작은 존재들이 질병의 원인임을 깨닫게 되자, 자연 현상을 과학적이고 합리적인 모델로 설명할 수 있게 된 것입니다. 이는 과학과 철학, 종교를 구분 짓는 중요한 계기가 되었으며, 초자연적인 설명 없이도 자연을 온전히 이해할 수 있다는 확신을 인류에게 심어주었습니다. 미시세계를 들여다보는 일은 때로 낯설고 충격적인 시각적 경험을 선사합니다. 마이크로칩을 든 개미의 모습이나 우리 몸속의 작은창자 융모, 시신경 혈관 등은 일상적인 눈으로는 결코 볼 수 없는 정교한 구조를 드러냅니다. 이러한 미세 구조를 관찰하는 것은 단순히 호기심을 충족하는 데 그치지 않고, 질병의 원인을 찾거나 생명 활동의 에너지가 공급되는 과정을 이해하는 등 실질적인 해결책을 제시합니다. 더 작은 것을 보려는 인간의 욕구는 결국 과학적 진보를 이끄는 강력한 동력이 됩니다. 현미경의 성능을 결정짓는 핵심 요소는 가까이 있는 두 물체를 구분해내는 '공간 분해능'에 있습니다. 하지만 광학 현미경은 빛의 회절 현상으로 인해 약 200나노미터 이하의 물체는 관찰할 수 없다는 '회절 한계'라는 벽에 부딪히게 됩니다. 19세기 후반 물리학자 아베가 정립한 이 원리는 오랫동안 광학 현미경의 절대적인 한계로 여겨져 왔습니다. 제아무리 비싸고 정밀한 장비를 사용하더라도 가시광선을 사용하는 한 파동의 원초적인 특성인 회절을 극복하는 것은 불가능해 보였습니다. 광학 현미경의 한계를 극복하기 위해 등장한 대안이 바로 전자 현미경입니다. 전자가 입자인 동시에 파동이라는 성질을 이용해, 에너지를 높여 파장을 짧게 만듦으로써 분해능을 획기적으로 높인 것입니다. 전자 현미경은 광학 현미경이 보지 못했던 원자 수준의 세계를 열어주었지만, 시료 손상과 같은 단점도 존재합니다. 그럼에도 불구하고 과학자들은 여전히 광학 현미경의 가능성에 미련을 버리지 않고 있습니다. 안 된다고 여겨지는 한계를 극복하려는 도전 정신이 과학의 역사를 새로 쓰고 있습니다.

김성근

카오스재단카오스강연

물리학
화학