분자기계 개발로 2016 노벨 화학상을 수상한 쟝-피에르 소바저, 프레이저 스토다트, 베르나르트 페링하

2016 노벨 화학상을 수상한

프랑스의 쟝 피에르 소바저(Jean Pierre Sauvage, 왼편),

영국(스콧틀랜드)의 프레이저 스토다트 경(Sir Fraser Stoddart, 가운데)

네덜란드의 베르나르트 페링하 박사(Bernard Feringa, 오른쪽)

Photograph: Nobel Media 2016

2016년 노벨 화학상의 영예는 인간의 머리카락보다 1000배 가량 가느다랗고

움직이는 작은 분자로 만들어진 나노기계(Nanomachines) 개발하고

제작한 업적을 인정받은 장 피에르 소바저(Jean-Pierre Sauvage),

프레이저 스토다트 경(Sir J. Fraser Stoddart), 그리고

버나트 페링하 (Bernard L. Feringa) 세명의 과학자들에게 돌아갔다.

분자 기계(molecular machines) 혹은 나노기계는 세계에서 가장 작은 기계의 도움으로

앞으로 신소재, 센서나 스위치, 새로운 에너지 충전시스템을 발명하는데 큰 역할을 담당할 것이며

현재 분자 기계의 모터의 개발 수준은 1830년도에 현재 광범위하게 쓰이는 

전기모터가 처음 개발되었을 초창기에 그 전기모터의 위력과 다양성을 감지하지 못했던 것처럼

앞으로 분자 모터의 진가를 가늠하기엔 너무 이르지만, 상상 이상의 큰 성과를 올릴 것이라고

스웨덴 왕립 과학 아카데미 위원회에서 덧붙였다.

현재 프랑스 스트라부르그 대학에서 석좌교수로 재직하고 있는 쟝-피에르 소바저 박사   

20세기 중반부터 화학자들은 고리 모양의 분자가 서로 연결된 분자를 개발하려는

연구가 시작되었는데, 이 분자를 새로 개발할 뿐 아니라, 아주 새로운 분자결합을 발견했다.

일반적으로 분자내의 근접한 원자의 전자들을 공동으로 나누는

강한 covalent bond로 결속으로 다양한 분자들을 형성하는데

고리로 연결된 분자들은 서로 전자들을 공유하기 보다는  

서로 고리로 연결된 기계적인 결합(mechanical bond)로 이루어진

분자를 만드는 것이 관건이었다.

1950년대와 1960년대에 몇몇의 연구기관에서 molecular bond로 이루어진 고리를

만드는데 성공했지만, 방법도 너무 복잡하고, 고리 분자의 양도 너무 적어서

큰 성과를 얻지 못했다.

그 후로도 별반 진전이 없자, 많은 과학자들이 분자 모터 연구를 접으면서

분자기계의 실현성이 희박해 보이다가, 다행스럽게도

1983년에 프랑스 쟝-피에르 소바저 박사가 이끄는 연구소에서 이 고리분자의

획기적인 발전을 안겨다 주었다.

소바저 박사는 원래 태양의 에너지를 충전할 수 있는 복합적인 분자를 연구하는

광화학(photochemistry) 분야에서 연구를 하던 중에, 갑자기

광화학 분야의 복합 전자 작용과 동이온(copper ion) 분자 체인의

유사함을 발견하게 되었다.

쟝-피에르 소바저 박사는 동이온을 이용해서 원자간의 기계적인 결속력으로

고리 분자를 만들어 냈다.

위의 그림처럼 동이온(copper ion)은 두개의 분자를 엮어주는 핀 역할을 해서

두개의 분자가 일반적인 화학적이 아니라 기계적으로 고리로 결속이 되면

핀 역할을 해 준 동이온을 제거하면 라틴어의 체인에서 따 온

카테네인(catenanes)이라고 불리우는 고리분자가 만들어진다.

어느 기계든지, 원하는 작업을 해 내려면

다수의 부품들이 상대적으로 움직여야 하는데,

이 두개의 고리로 연결된 분자는 그 조건을 갖추었고,

1994년에는 소바저 박사의 연구팀이 개발한 카테네인의

고리 하나는 에너지가 주어지면 다른 고리 주위를 도는 기계분자를 개발해서

분자 기계의 첫 단추를 꿰었다.

소바저 박사가 분자기계의 첫 단추를 꿰었다면,

한편 프레이저 스토다트 박사는 두번째 단추를 꿴 과학자이다.

그는 소바저 박사처럼 연결된 고리 분자를 만드는 대신에,

1991년에 영국의 버밍험 대학교에 재직중에 아령처럼 생긴 굴대에 쌓인 고리 분자인

 로타세인(rotaxane)을 개발해서 분자고리는 주산알처럼 위 아래로 움직일 수 있는 분자이다.

스토다트 박사가 개발한 움직이는 고리 분자

1. 전자가 부족한 고리실분자를  과잉 전자가 있는 입자 축(molecular axle) 에 걸쳐 두면,

2. 파란 고리실 분자가 서로 이어지면서,  축 내에 머물게 된다.

3. 열 에너지를 이 축에 가해주면, 과잉전자가 있는 축 사이를 오가게 된다.

1994년에는 스토다트 박사는 이 고리분자의 움직임을

완전히 제어하는 방법을 개발해서, 결과적으로

일반적으로  화학적인 시스템에서 임의로 분자의 움직에서 벗어나게 되어서

원하는 목적과 기능에 따라서 조절을 할 수 있는 분자를 만들었다.

Fraser Stoddart's molecular lift.(분자 엘리베이터) 

스토다트 박사는 계속해서 분자 주판같은 작은 컴퓨터 칩스를 만들어서

3개의 로타세인으로 이루어진 큰 고리 입자가 0.7 나노미터(10억분의 1미터)를

위로 올릴 수 있는 분자 엘리베이터를 개발했다.

이 고리 분자 연구외에도 흥미로

소바저 박사와 스토다트 박사는 다양한 매듭모양으로

꼬이는 분자도 만들기도 했는데,

스토다트 박사는 켈틱 예술작품에서 영감을 얻었다고 한다.

아울러, 스토다트 박사는개발한 로타세인을 소재로

약 20 kB 용량의 컴큐터 메모리 칩스를 개발하기도 했다.

현재 모든 컴퓨터 트랜지스터에 사용되는 칩스가 그 사이에 아주 작아졌지만,

 작은 분자로 만들어진 트랜지스터와는 비교가 되지않을 만큼 거대하다.

과학자들은 현재 사용되는 실리콘 소재 트랜지스터가

컴퓨터 산업에 커다란 혁명을 불러 온 것 처럼

극히 작은 분자로 만들어진 트랜지스터가

앞으로 컴퓨터 테크놀로지에 새로운 혁명을 가져다 줄 것으로 예상하고 있다.

 

 

소바주 박사가 개발한 두개의 고리 분자의 구조는

탄성이 있어서 늘어났다가 줄어들 수 있다. 

소바저 박사도 역시 로타세인의 다양한 가능성을 지속적으로 연구해서,

2000년도에 하나가 아닌 두개의 고리 분자를 연결해서,

탄성이 있는 분자를 개발했는는데, 이는 인간의 근육섬유와 비슷한 구조를 이루고 있다.

또한 스토다트 박사와 소바주 박사는 함께 로타세인이 전기모터(AC morotr)처럼

방향을 번갈아 바꾸면서 회전하는 사실에 주목해서 연구를 이어갔다.

분자 공학계에서는 1990년대부터 DC 모터처럼 한방향으로만 회전하는

분자기계 개발에 박차를 가해 왔는데,

이를 제일 먼저 개발한 과학자가 바로 네덜란드의 벤 페링하 박사이다.

네덜란드 그로닝언 대학교에서 유기화학 교수로 재직중인 버나트 페링하 박사(Bernard L. Feringa)

 

스토다트 박사처럼 벤 페링하 박사도 농촌에서 태어나고 자랐는데

화학분야가 끊임없이 새로운 신소재를 창조할 수 있다는 점에 매료되어서

화학을 전공했다고 하는 점이 개인적으로 크게 공감이 가는 부분이다.

페링하 박사가 개발한 분자는  두개의 칼철럼 생겼는데,

분자의 한쪽끝에 있는 메틸(methyl)그룹이 두개의 탄소 원자 사이를

톱니처럼 이중결속(double bond)으로 묶여져 있다.

이 분자가 자외선(에너지)에 노출이 되면,

하나의 칼 구조(검은 분자)가 가운데 이중본드가 있는 축 주위를

180도를 건너 뛰어 넘게 되면서 (1번과 그림)

톱니바퀴가 딱 마물리게 되면서 장력이 사라지게 되고,

분자가 뒤로 회전하는 것을 방지해 준다.(2번)

이어진 다음 자외선 에너지를 받게 되면,

위처럼 같은 모터의 칼 부분이 다시 180도 회전하게 된다.

이 동작들이 계속 이어지게 되면서 분자들이 한 방향으로 계속해서 돌게 된다.

같은 방향으로 지속적으로 팬이 회전하는 작은 분자 모터를 개발했다.

처음 만든 모터는 빠른 속도로 회전하지 않았지만,

그로부터 15년 후에는 일초에 1200만번을 회전하는 모터를 개발하기에 이르렀다.

일반적으로 분자는 통계학적으로 찬스에 의해서 오른쪽과 왼쪽 방향으로

같은 횟수로 회전하는데, 그가 개발한 분자는 의도하는 방향으로만

지속적으로 회전할 수 있어서 제어가 가능한 모터 역할을 할 수 있는 것이 특징이다.

페링하 박사와 연구진은 2011년에 그들이 개발한 4개의 모터를

나노 몸통에 붙여서 차의 4바퀴처럼 구조를 만들어서

"4륜 분자 모터 차'를 만들어서 크게 주목을 받기도 했다. 

올해 71세의 소바저 박사는 프랑스 파리에서 태어나서

스트라스부르크 대학에서 1971년에 박사 박위를 받았고,

현재는 동 대학의 석좌 교수이자 프랑스 국립 연구소 명예 소장직을 맡고 있다.

스토다트 박사는 올해 74세로 스코틀랜드의 에딘버러에서 태어나서

에딘버러 대학에서 1966년에 박사학위를 받았고,

현재는 미국 일리노이주에 있는 노오스웨스턴 대학에서 화학교수로 재직중이다.

그는 미국의 UCLA에서도 교수직을 맡았었고,

엘리자베스 여왕으로부터 과학발전의 공헌을 높이 사서 Sir 작위를 받기도 했다.

페링하 박사는 네덜란드의 바르거-콤파스쿰에서 태어나서 올해 64세의 나이로

1978년에 그로닝겐 대학에서 박사학위를 받고 현재는 모교에서 유기화학 교수로 재직중이다.

이 세분의 대단한 과학자들 덕분에 Topological Chemistry 분야를 크게 부상시켰고,

1950년에 이미 노벨상 수상자였던 리차드 파인먼 박사가 예측을 했던

2차 나노-테크놀로지 혁명를 불러 일으킬 수 있는 초석을 다졌다.

그리고 머리카락보다 10억분의 1 크기의 작은 로보트를 개발해서

혈관에 투입해 해로운 암세포를 표적제거를 하거나,

표적으로 약물투입을 할 수 있는 테크놀로지,

그리고 신소재 폴리머 제작으로 새로운 배터리 테크놀로지 분야등

여러 분야에 걸쳐서 분자기계의 눈부신 활약이 벌써부터 기대가 된다.