1. 세상을 바꾼 화학자, 축구공 미니어처로 나노시대를 열다 (2) Richard E. Smalley
“어떤 모양이 합쳐졌나요?” 과학자는 며칠 동안 괴로운 상태로 실험실에 머물렀다.
얼마 전까지만 해도 강력한 레이저 빔으로 헬륨 가스에서 흑연을 기화시켜 새로운 탄소 분자를 생성했습니다.
그 당시 다이아몬드와 흑연은 탄소로 만들어진 유일한 물체였습니다.
다이아몬드는 4개의 탄소 원자에 1개의 탄소 원자가 결합되어 있는 반면 흑연은 6개의 탄소 원자가 육각형 모양으로 배열되어 있습니다.
이러한 구조의 차이 때문에 다이아몬드와 흑연은 물리적 특성이 매우 다릅니다.
그런데 이 새로 생성된 물질을 질량분석기로 측정한 결과 60개의 탄소 원자로 구성되어 있음을 확인했다.
어떤 방식으로 탄소 원자가 함께 결합되어 그렇게 안정적인 탄소 덩어리를 형성했습니까? 과학자의 질문은 뜻밖의 물체에서 해법의 실마리를 찾기 위해 찾아왔다.
점심을 먹고 탁자에 앉아 계산기를 두리번거리다 문득 축구공이 생각났다.
그는 정육각형과 정오각형으로 구성된 32면체인 축구공의 꼭지점이 60개라는 것을 깨달았습니다.
과학자는 계산용 종이로 축구공 모양의 모형을 만들어 바닥에 떨어뜨렸다.
그러면 점프할 만큼 안정적으로 보였다.
이 과학자의 이름은 나노기술의 아버지로 불리는 Richard E. Smalley이며 그가 발견한 물질은 풀러렌입니다.
풀러렌은 그가 추측한 대로 실제로 축구공 모양이라는 것이 나중에 확인되었습니다.
1991년 4월 X선 회절과 적외선 분광 측정 결과 풀러린은 20개의 육각형과 12개의 오각형으로 축구공 모양을 합쳤다.
1940년대 미국의 건축가이자 수학자 리처드 버크민스터 풀러가 설계한 구조물인 측지선 돔과 비슷한 구조였다.
풀러는 오일러의 정리를 건축에 적용하여 정이십면체와 같은 정다면체의 면을 분할하면서 면적을 줄임으로써 측지선 돔을 개발하였다.
새로 발견된 탄소 동소체의 구조가 측지선 돔과 매우 유사한 것으로 확인되자 과학자들은 건축가 Fuller의 이름을 따서 “fullerene”이라고 명명했습니다.
풀러렌 중에서 탄소 원자 60개로 이루어진 C60을 “벅민스터 풀러렌”이라고 하며, 단순히 “벅민스터의 축구공”을 의미하는 “버키볼”이라고도 합니다.
▲ 각 탄소 동소체의 구조 ⓒ
Smalley가 탄소의 동소체인 풀러렌을 발견한 것은 라이스 대학교의 Robert F. Curl 교수와 영국의 Harold W. Kroto가 공동 연구한 결과였습니다.
처음에 널리 퍼진 성간 탄소 먼지에 흥미를 느낀 Kroto는 성간 먼지에서 몇 가지 탄소질 분자를 식별하여 그 구조를 결정했습니다.
당시 학자들은 성간 먼지가 대부분 탄소라고 믿었기 때문에 진공 속에 삽입한 두 개의 탄소 전극에 전류를 흘려 흑연을 기화시켰다.
세 사람은 강력한 레이저빔으로 섭씨 1만도에서 흑연을 기화시킨 뒤 블랙카본 분자의 조성을 연구했고 탄소수 60의 분자가 다른 화합물보다 많다는 흥미로운 사실을 발견했다.
1985년 세상에 등장한 풀러렌은 독특한 형태와 다양한 물성으로 과학자들의 주목을 단번에 끌었다.
첫째, 원자 크기가 매우 작기 때문에 그 활용도가 그 어떤 물질보다 높다는 장점이 있습니다.
특히 축구공처럼 속이 빈 구조가 의료계의 이목을 끌었다.
풀러렌에 약물을 주입하면 체내에서 적절한 시간과 장소에 문을 여는 약물을 개발할 수 있을 것이라는 생각 때문이다.
예를 들어, 현재 암에 대한 약물 치료는 종종 암세포를 둘러싼 정상 세포를 위협하지만 풀러렌은 “표적 약물 전달 시스템”으로 사용될 수 있습니다.
또한 풀러렌의 전기적, 광학적 특성도 눈길을 끌기에 충분했다.
빛을 흡수하고 전자를 받아들이는 성질을 가진 C60 결정에 알카리 금속이 적절하게 결합하면 초전도체가 된다는 보고가 나온 이후 연구가 폭발적으로 늘었다.
또한 여러 개의 금속 원자를 혼합하여 전도체나 초전도체로 사용하거나, 수많은 풀러렌을 연결하여 새로운 섬유, 촉매, 센서 등으로 사용할 수 있다.
미세한 구조로 인해 이미 소량에 매우 민감합니다.
풀러렌의 이러한 다양한 용도는 나노기술(NT)의 실현 및 사양화에 중요한 역할을 했습니다.
즉, 풀러렌은 나노라는 단어를 전 세계에 알리는 데 주도적인 역할을 한 것입니다.
종종 나노기술의 아버지로 여겨지는 Smalley는 1943년 6월 미국 오하이오주 애크론에서 태어났습니다.
가구를 만드는 부유한 가정에서 태어난 어머니, 뛰어난 사업가이자 인쇄업자인 아버지, 과학에 관심이 많았던 어머니의 영향을 받은 Smalley는 어릴 때부터 과학에 빠져 들었습니다.
어머니와 함께 그녀는 종종 집 주변의 연못에서 원생동물을 채취하여 현미경으로 관찰했습니다.
▲ 풀러렌의 구조 모델 ⓒ
1957년 세계 최초의 인공위성인 스푸트니크 1호의 발사는 Smalley가 과학자가 되기로 결심하는 중요한 계기가 되었습니다.
미국 최고의 화학 학부 과정을 자랑하는 호프 대학교를 졸업하고 미시간 대학교에 진학했으며, 졸업 후 세계적인 화학 기업인 셀에 입사했다.
품질 관리 화학자로 일하는 동안 Smally는 광범위한 현장 경험을 통해 “화학은 무엇이든 할 수 있다”고 믿게 되었습니다.
1973년 프린스턴 대학에서 화학 박사 학위를 받은 후 즉시 시카고 대학에 박사후 연구원으로 자리를 잡고 Leonard Wharton 및 Donald Levy와 함께 초음파 레이저 분광법에서 선구적인 성공을 거두었습니다.
1976년 Smalley는 당시 레이저 분광학 분야의 선도적인 연구 기관 중 하나였던 텍사스 휴스턴에 있는 Rice University의 화학 교수로 자리를 옮겼습니다.
그곳에서 그는 Curl 교수와 함께 AP2 분광계를 개발했고 이 장치로 풀러렌을 발견했습니다.
풀러렌 발견에 기여한 공로를 인정받아 Smalley는 결국 Croto 및 Curl과 함께 1996년 노벨 화학상을 공동 수상했습니다.
그러나 Smalley는 과학자로서 결코 좋지 않은 일을 겪습니다.
첫 번째 사건은 친한 연구 동료였던 크로토와의 이별이었다.
그들은 풀러렌의 구조를 규명했다고 주장하면서 서로 충돌했고 결국 헤어졌다.
두 번째는 노벨상을 위한 로비입니다.
축구공처럼 생긴 초소형 탄소 분자가 있다는 사실 자체도 흥미롭고, 풀러렌은 그 독특한 성질 때문에 응용 범위가 넓어 노벨상 수상이 기대됐다.
그럼에도 불구하고 Smalley는 전 세계 저명한 과학자들에게 편지를 보내 풀러렌 발견의 중요성을 알리고 강의를 통해 자신의 업적을 알리기 위해 끊임없이 노력했습니다.
그의 공격성은 로비 전체에 퍼졌습니다.
그럼에도 불구하고 풀러렌 발견에 기여한 세 사람 중 Smally는 나노 기술과의 연결과 끊임없는 노력 덕분에 나노 기술의 대부로 간주될 수 있었습니다.
1991년, Dr. 풀러렌을 관찰하던 일본의 Ijima는 우연히 탄소나노튜브를 발견했고, 길쭉한 관 모양의 탄소 구조가 있음이 밝혀졌다.
2. 스몰리의 다음 행보
그 후 Smalley는 연구 주제를 풀러렌에서 탄소 나노튜브로 바꾸었고 1996년에는 탄소 나노튜브를 묶는 데 성공했습니다.
무궁무진하고 강한 탄소 나노튜브 로프로 구성되어 있습니다.
그가 합성한 다발 탄소나노튜브에 반도체 특성이 있다는 사실이 알려지자 탄소나노튜브는 곧바로 NT의 중요한 연구 주제가 됐다.
흥미롭게도 나노기술의 세계적 리더였던 스몰리는 나노기술의 미래에 대해 보수적인 입장을 견지하며 과도한 기대와 낙관주의를 경계했다.
박사 동안 미국의 에릭 드렉슬러(Eric Drexler)는 “미래에는 자기복제 나노로봇이 등장해 화학반응을 일으키고 모든 노동을 대체할 것”이라고 주장했다.
스몰리는 공개적으로 나노로봇의 등장을 부인했다.
그는 “원자의 위치를 조작해 분자를 만들 수 없다”며 “드렉슬러는 화학적으로 불가능한 분자 조립 기계의 위험성을 강조해 나노기술에 대한 불신을 조장하고 있다”고 비판했다.
말년에 환경 보호를 위한 대체 에너지 기술과 관련된 연구를 촉진하는 데에도 적극적인 역할을 했던 스몰리는 림프종 암 투병 끝에 지난해 10월 28일 세상을 떠났다.