분자들의 합체변신 제어해 만든 ‘분자기계’ -노벨화학상

※ 이 기사는 한겨레 10월6일치에 실렸습니다. 기사에 노벨위원회 자료의 그림설명을 곁들여 이곳에 싣습니다.


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화학적 합성이 아닌 기계적 결합으로

미세분자의 새로운 제어 길 열어
소바주, 스토더트, 페링아 등 3인 수상



시 세계에서 일상의 기계처럼 작동하는 ‘분자기계’를 만든 프랑스와 미국, 네덜란드 과학자 3명에게 2016년 노벨화학상이 돌아갔다.


00nobelchemistry1.jpg 스웨덴 왕립과학원 노벨위원회는 5일 장피에르 소바주(72) 프랑스 스트라스부르대 교수와 프레이저 스토더트(74) 미국 노스웨스턴대 교수, 베르나르트 페링아(65) 네덜란드 흐로닝언대 교수 등 3명을 올해 노벨화학상 수상자로 선정했다고 밝혔다.


노벨위원회는 이들이 “초분자체를 이용해 분자기계를 구현할 수 있는 원리를 밝혀내고 직접 만들었다”며 “이들이 기계를 소형화해 화학을 새로운 차원으로 발전시켰다”고 선정 이유를 밝혔다. 또 위원회는 “분자기계는 머리카락보다 1천배나 더 가늘다”며 “신물질, 센서, 에너지 저장 시스템 등을 개발하는 데 이용될 수 있을 것”이라고 설명했다. 세 과학자는 원자들이 화학적 결합으로 서로 이어져 있는 자연 상태의 분자와 달리 기계적으로 분자들을 결합시키는 방법을 찾아냈다.


곧 에너지를 운동으로 직접 변환할 수 있는 기계운동의 원리를 분자 수준에서 정교하게 구현하고 제어하며 관찰할 수 있는 새로운 형태의 분자 시스템을 고안하고 제작한 것이다.


소바주는 1983년 두 개의 고리 모양 분자가 서로 얽혀 있는 ‘카테네인’이라는 분자기계를 처음 만들었다. 영국 출신인 스토더트는 1991년 막대 모양의 분자와 고리 모양 분자를 서로 결합시켜 컴퓨터 칩처럼 스위치로 쓸 수 있는 구조를 만들어 ‘로탁세인’이라 이름 붙였다. 페링아는 나아가 1999년 엘리베이터처럼 오르락내리락하거나 근육처럼 접었다 펼쳤다 하는 ‘분자 모터’를 개발했다. 이들 기계는 0.1~10나노미터(1나노미터는 10억분의 1미터) 크기다.


00nobelchemistry10.jpg » 분자기계의 하나인 카테네인과 로탁세인 개념도. <국제분자과학학회>(IJMS) 제공

이덕환 서강대 화학과 교수는 “약물 등 화합물 등을 만드는 현대의 화학 합성법이 6천만경개의 원자들을 흔들어서 원하는 분자를 만드는 방식이라면 이들은 핀셋으로 원자 하나하나를 이어붙여 분자 결합체를 만든 것이다. 분자기계가 당장 실생활에 응용되고 있지 않음에도 노벨위원회가 이들을 수상자로 선정한 것은 화학의 창조적·예술적 측면을 인정해준 것 같다”고 말했다. 이동환 서울대 화학부 교수는 “분자 기계로 약물의 확산을 화학적 수준에서 제어한다든지 하는 방법으로 약물 전달, 신경물질 전달 등에 응용될 수는 있을 것”이라고 말했다. 우리나라에서는 김기문 포항공대 화학과 교수와 김종승 고려대 화학과 교수가 관련 분야에서 연구 성과를 내고 있다. 3명의 노벨화학상 수상자에게는 800만크로나(약 10억4000만원)의 상금이 똑같이 나누어진다.

▒ 이근영 선임기자, 황상철 기자 kylee@hani.co.kr



  그림 설명 (출처/ 노벨위원회 설명자료)

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장 피에르 소바주는 구리 이온을 사용해 ‘기계적인 결합’ 방식으로 분자들을 얽을 수 있었다.

[보충설명 번역] 종종 연구 중에 일어나는 일이지만, 영감은 전혀 다른 곳에서 오기도 한다. 장 피에르 소바주는 광화학(photochemistry)을 연구하고 있었는데, 그 분야에서는 햇빛에 담긴 에너지를 포획해 그것을 화학반응을 촉진하는 데 활용할 수 있는 분자 복합체를 개발하려는 노력이 계속됐다. 장 피에르 소바주가 광화학적으로 활성을 띠는 복합체 중 하나의 모형을 만들었을 때에, 그는 갑자기 그것이 분자 체인과 유사하다는 걸 깨달았다. 두 분자가 중앙의 구리 이온 둘레에서 꼬인 모양이었다. 이런 통찰이 장 피에르 소바주의 연구 방향에 극적인 전환점을 가져다 주었다. 광화학적 복합체를 사용해 그의 연구진은 하나는 링 모양이고 다른 하나는 초승달 모양을 한 분자를 만들고서 그것들이 구리 이온에 이끌리도록 했다. 구리 이온은 분자들이 모일 수 있게 하는 일종의 응집력(cohesive force)을 제공했다. 두번째 단계에서 연구진은 화학을 사용하여 초승달 모양 분자를 제3의 분자와 결합하도록 했고 그리하여 새로운 링이 만들어졌다. 이로써 첫번째 분자 체인이 만들어졌다. 연구진은 그런 뒤에 소기의 역할을 다한 구리 이온을 제거했다.

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프레이저 스토더트가 만든 분자 셔틀. 축을 따라 움직이도록 제어할 수 있다.

[보충설명] 1991년 스토더트의 연구진은 전자가 결핍된 벌어진 고리(open ring), 그리고 전자가 풍부한 구조를 이룬 긴 막대 혹은 축를 서로 다른 곳에다 만들었다. 두 분자를 하나의 용액 안에서 만나게 하니, 전자가 부족한 것은 전자가 풍부한 것에 이끌렸다. 그러면서 링은 축 위에 꿰어졌다. 다음 단계에서 연구진은 링의 벌어진 부분을 닫아 그것이 분자 축에 머물 수 있게 했다. 이런 식으로 스토더트는 높은 효율로 로탁세인(rotaxane), 즉 축에 기계적으로 결합된 링 모양의 분자를 구현할 수 있었다.

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프레이저 스토더트가 만든 분자 승강기.

[보충설명] 1994년 이래 스토더트 연구진은 다양한 로탁세인(rotaxane)을 사용하여 여러 가지의 분자 기계를 만들어냈다. 그 중에는 표면에서 0.7나노미터 높이까지 스스로 들어올릴 수 있는 승강기(2004년)도 있었고 로탁세인이 매우 얇은 금 박막을 구부릴 수 있는 인공근육(2005년)도 있었다.

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장 피에르 소바주는 두 개의 분자 고리를 한데 꿰어 그 구조물이 늘어났다 줄었다 할 수 있게 했다.

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베르나르트 페링아는 최초의 분자 모터를 만들었다. 그것은 기계적으로 구성되어 특정한 방향으로 회전했다. 그의 연구진은 이 모터를 최적화하여 1초에 1200만 회전 속도로 회전할 수 있게 했다(아래 그림).

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베르나르트 페링아가 만든 네 바퀴 나노자동차.

[보충설명] 페링아가 만든 최초의 모터는 정확히 말하면 빠르지는 않았다. 그러나 페링아 연구진은 그것을 최적화했다. 2014년에 모터는 1초에 1200만 회전 속도로 회전했다. 2011년에 연구진은 또한 네 바퀴 나노카를 만들었다. 분자 차대가 바퀴 구실을 하는 네 개의 모터를 한곳에 묶어두었다. 바퀴가 회전할 때 차는 표면 위에서 전진했다.


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