장 피에르 세비지 스트라스부르 대학 명예교수, 프레이저 스타다르트 노스웨스턴 대학 교수, 그리고 버나드 페링가 그로닝겐 대학 교수 등 3명이 “나노크기의 분자기계를 디자인하고 합성”한 공로로 2016년 노벨 화학상 공동 수상자로 선정되었다.

노벨상 연구내용

산도(pH)의 변화에 반응해 오르락내리락 하는 소형 엘리베이터, 빛 또는 열을 받으면 회전운동을 하는 초미니 모터 등 일상생활 기계의 작동원리를 분자의 설계와 합성에 적용시켜 단일 분자수준의 크기로 만든 것이 바로 ‘분자 기계’이다.

이러한 분자기계들은 에너지 공급을 통해서 그 움직임을 제어할 수 있기 때문에 차세대 컴퓨터, 신소재, 또는 에너지 저장체 등에 응용될 것으로 큰 기대를 모으고는 있다.

하지만, 아직 실용성 측면에서는 초기 걸음마 단계라고 볼 수 있다. 다만, 노벨상 위원회는 이들이 기초과학적 연구를 통해 분자수준의 기계가 가능하다는 것을 실제로 보여줌으로써, 일상생활에서 느끼는 각종 기계와 전자제품에 대한 우리의 고정관념을 ‘혁명적 수준’으로 바꾸는데 기여했다는 점을 높이 평가한다고 밝히고 있다.

이들이 고안한 초미니 기계들이 실생활에 유용하게 쓰일 때 우리의 생활은 또 다른 산업혁명을 겪게 될 것으로 전망된다.

그럼, 어떻게 분자수준에서 이런 형태의 고리모양을 확인 할 수 있었을까?
분자의 구조를 알아내는데 핵자기공명기(NMR spectrometer)도 중요한 역할을 했으나, 무엇보다도 핵심적인 증거는 질량분석기(Mass spectrometer)를 통해서 얻어졌다. 예를 들어, 3개의 분자 고리가 꿰어져 있는 분자(그림 1, 맨 왼쪽)의 결합형태 - Topological entanglement - 의 증거로 인정된 실험은 바로 질량분석기 스펙트럼이다. 질량을 확인하기 위해 분자를 조각내 보았을 때 아주 큰 폭으로 질량값이 줄어드는 피크 패턴을 보이고 그 중간에는 거의 아무런 피크도 관찰되지 않는 이유는, 고리가 한 개 끊어지게 되면 바로 그 고리에 해당하는 만큼의 질량이 한꺼번에 떨어져 나가는 특이한 형태의 분자구조 때문이다(그림 2). 한국기초과학지원연구원은 고성능 `15테슬라급 초정밀 질량분석기’를 개발하는 데 성공하여 오창센터에서 활용 중이며, 질량분석기의 국산화율을 높이기 위해 핵심 부품들에 대한 자체 개발에 적극적으로 힘쓰고 있다. 현재 국내 질량분석기 생산업체는 아스타, 영린기기 등이 있다.
※ 국내 장비 설치현황은 별첨 1 참조

슈토다르트 교수는 어떻게 이렇게 변화되는 분자모양을 확인할 수 있었을까?
전기적 실험을 통해서도 검증되었으나, 가장 확실한 증거는 분자엘리베이터를 이루는 각 구성분자들, 즉 플랫폼 구조의 고리 내부와 축 구조를 이루는 세 개의 기둥에 각각 붙어있는 수소원자들의 핵자기공명기 스펙트럼을 통해 얻어졌다. 스펙트럼 신호의 해석에는 좀 더 전문적인 기초지식이 필요하므로 간단하게 결과를 설명하면, 염기성 용액 상에서는 엘리베이터 분자의 플랫폼 부분이 그림 4의 왼쪽에서 보듯이 아랫부분에 위치하게 되나 산성용액 에서는 오른쪽 그림에서처럼 윗부분으로 한 계단 올라가게 된다는 것이 기둥에 붙어 있는 수소원자의 핵자기공명 스펙트럼 변화에 그대로 반영되어 나타난다(그림 5). 한국기초과학지원연구원의 연구장비개발사업단에서는 무냉매 핵자기공명기 개발에 매진 중이며, 이러한 장비는 헬륨 대신 고온초전도체를 이용하여 기존 장비의 크기나 가격에 비하여 경쟁력이 높을 것으로 예상된다.
※ 국내 장비 설치현황은 별첨 1 참조

과연, 페링하 교수는 나노 자동차의 움직임을 어떻게 관측 할 수 있었을까?
금속 표면에 붙은 분자 이미지를 원자수준 해상도로 얻을 수 있는 주사터널링 현미경(Scanning Tunneling Microscope; STM)을 사용함으로써 관찰할 수가 있었다. 먼저, STM 현미경 팁으로 높은 전압을 인가하여 분자가 한 스텝 이동을 할 수 있도록 전기에너지를 가해주고, 연이어서 작은 전압과 전류를 흘려주며 정지된 상태의 분자 모양을 스캔하여 이미지를 얻었다. 그리고, 위 과정을 반복해서 수행한 후에 나노 자동차 분자가 한쪽 방향으로 움직이는지 아니면 무질서하게 움직이는 지를 관찰하였다. 그 결과, 단위 구성분자들이 잘못 조립된 분자들은 무질서한 움직임을 보이는 반면 구성분자들의 형태가 제대로 잘 연결된 나노 자동차 분자들은 직선형 이동을 한다는 것을 알았다(그림 7).
※ 국내 장비 설치현황은 별첨 1 참조