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TAG: MPI (막스플랑크연구소)

작성 2014-09-19
조회 2,366

출생1927-05-09, 독일
국적 독일
분야생물물리화학
소속막스플랑크 연구소 생물물리화학 소장
출신대학괴팅겐대학교 대학원 박사
주요업적화학반응론
수상노벨 화학상 (1967)

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인물정보

독일의 물리화학자. 반응계의 상태를 순간적으로 급격하게 변화시켜서 평형이동을 추적하는 ‘화학완화법’을 연구하고, 산알칼리의 중화반응을 비롯하여 수많은 반응의 속도상수를 결정하였다.

1927년 보훔에서 출생하였으며 궁정악사 가정에서 태어나 1945년 궤팅켄대학교에서 물리와 화학을 배우고, 1951년 자연과학 박사학위를 받는다. 2년 동안 모교의 물리화학연구소에서 Ewald Wicke의 조수로 일한 다음 1953년 막스 플랑크 물리화학연구소의 연구원이 되었다. 1964년에는 연구책임자, 이후 소장이 되었다.

그는 다양한 방법을 사용하여 평형상태에 있는 많은 고속 반응들을 연구하였다. 반응계의 상태를 순간적으로 급격하게 변화시켜서 평형이동을 추적하는 ‘화학완화법(化學緩和法)’을 연구하고, 산(酸)알칼리의 중화반응을 비롯하여 수많은 반응의 속도상수를 결정하였다. 생화학면에서는 단백질의 구조변화와 속도의 관계를 연구했고 얼음 결정체에 있어서 양성자의 이례적인 전도 특징들을 발견했다. 1967년에 ‘화학반응론’으로 R.G.W.노리시, G.포터와 공동으로 노벨화학상을 받았다.

*공동수상: 로널드 조지 레이퍼드 노리시- 영국의 화학자.
케임브리지 대학교에서 박사 과정을 이수하고, 엠마뉴엘 칼리지에서 연구원으로 지냈다. 1937년에 케임브리지 대학교 화학과 물리화학 교수로 임용되어 1965년까지 재직하였다. 조지 포터와 함께 순간 펄스를 이용하여 화학 반응을 중지시키면서 단계적인 변화과정을 연구하는 데 성공하였다.

*공동수상: 조지 포터- 영국의 화학자.
리즈 대학교에서 공부한 후 1949년부터 케임브리지 대학교에서 노리시 교수의 지도 아래 연구하였다. 1955년부터 셰필드 대학교 화학과 교수로 재직하였으며, 1966년에 영국왕립연구소 소장 및 풀러좌 화학 교수로 임명되었다. 1972년에 기사 작위를 받았다.

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시상연설

전하, 그리고 신사 숙녀 여러분.
과거의 화학자들은 자연 생성물로부터 유용한 물질을 만들어내는 방법에 관심이 있었습니다. 예를 들면 광석 및 그 부류로부터 금속을 만드는 것입니다. 당연한 일로서, 어떤 화학반응은 빨리 일어나는 반면 어떤 화학반응들은 아주 느리게 진행한다는 것을 알게 되었습니다. 그러나 반응속도에 관한 체계적인 연구는 19세기 중반까지는 거의 없었습니다. 1884년에 네덜란드의 화학자 반트 호프가 화학반응이 종종 따르는 수학적 법칙을 요약했습니다. 이 일이 다른 업적과 함께 1901년 최초의 노벨 화학상을 반트 호프에게 안겨 주었습니다.

거의 모든 화학반응은 반응물이 가열되면 더 빨리 진행됩니다. 반트 호프와 1903년 세 번째로 노벨 화학상을 받은 스반테 아레니우스 두 사람 모두 반응속도가 온도에 따라 어떻게 증가하는지를 기술하는 수학적 법칙을 확립했습니다. 이 식은 두 분자가 충돌하면 보통은 다시 분리되고 아무 일도 일어나지 않으나 충돌이 충분히 격렬해지면 분자들이 붕괴되고 그 구성 원자들이 재결합하여 새로운 분자들이 만들어진다는 가정으로 설명될 수 있습니다. 또한 분자들은 보통 속도로 서로를 향해서 움직이지만, 한 분자에 있는 원자들은 격렬하게 진동을 해서 심각한 충돌이 없어도 분자가 붕괴될 수 있는 가능성을 상상할 수 있습니다. 그렇다면 고온이 두 가지를 의미한다는 것을 이미 깨달은 것입니다. 즉 분자들은 더 빨리 움직이고 원자들은 더 격렬하게 진동한다는 것입니다. 또한 반응속도를 측정할 수 있게 되어, 충돌의 단지 미미한 부분이 반응결과물로 전환된다는 것을 깨닫게 되었습니다.

옛날에 측정할 수 있던 빠른 반응은 어느 정도일까요? 물질들이 먼저 섞여야 하고 그다음 특정 시간에 시료를 취하여 분석해야 한다는 점을 고려할 때, 반응속도는 제한적일 수밖에 없습니다. 최상의 경우는 색과 같은 물리적 성질 변화를 관찰할 수 있어서 시료를 취할 필요가 없는 경우입니다. 화학자들은 시계와 측정기기를 읽어야 하고 그다음에 논문을 낼 것입니다. 행동이 빠른 사람이라면 몇 초 내에 반감기를 갖는 반응을 관찰할 수 있을 것입니다.

사람이 측정할 수 있던 느린 반응은 어느 정도일까요? 이것은 젊은이가 박사학위를 받는 데 얼마나 긴 시간을 헌신할 것인가에 따라 결정된다고 아이겐 교수가 말했습니다. 실질적인 최대치로 반응의 반이 3년 뒤에 완성된다면 그것은 약 1억 초에 해당합니다. 당연히 훨씬 더 느린 반응도 있습니다.

물론 많은 반응들이 측정을 무시할 만큼 엄청나게 빠른 속도로 진행됩니다. 예를 들면 산과 염기 사이의 반응속도를 아무도 측정하지 못했습니다. 이러한 경우에는 격렬한 충돌 없이도 분자들이 반응하는 것으로 이해됩니다. 분자가 많을 때의 반응에 대해 한 단계씩 순서를 추정하는 방식으로 연구한 결과 반응속도가 사용된 물질의 양에 종종 의존한다는 것이 밝혀졌습니다. 이러한 단계들 중 하나가 매우 느려서 반응의 전체과정을 지배하는 반면, 다른 단계들은 측정할 수 없이 빠릅니다. 독일의 화학자인 막스 보덴슈타인은 금세기 초에 그러한 반응들을 많이 연구했습니다.

주요한 발전은 1923년 영국인 하트리지와 러프턴에 의해 이루어졌는데, 이들은 분리된 튜브를 통해서 보낸 두 용액이 만나서 섞이게 한 후, 그 혼합물을 외계 튜브로 빨리 보내서 그 안에서 일어나는 반응을 관찰할 수 있게 하였습니다. 이 방법은 반응시간을 1,000분의 1초까지 측정할 수 있게 했습니다. 그러나 여전히 더 빠르게 진행하는 반응들이 많이 있습니다. 이러한 반응들은 물질들이 충분히 빠르게 섞일 수 없다는 단순한 이유 때문에 이 방법은 사용할 수 없습니다.

질산이 다수의 물질과 반응할 때 갈색 기체인 이산화질소가 생성됩니다. 이 기체는 특별한 성질이 있는데 갈색 분자가 쌍을 이루어서 크기를 두 배로 늘린다는 가정을 함으로써 설명할 수 있습니다. 이 반응이 아무도 측정에 성공하지 못한 고속반응의 전형적인 예입니다.

1901년에 발터 네른스트와 박사과정 학생이 여러 가지 기체에서 소리의 속도를 조사했는데 그중에 이산화질소가 있었습니다. 그는 단분자와 쌍을 이룬 분자 사이의 평형이 소리의 진동보다 훨씬 더 빨리 이루어진다는 것을 발견했습니다. 그러나 그는 가청음파 이상의 충분히 높은 음조를 사용하면 음속이 변형되리라는 것을 알고 있었습니다. 다른 사람 아닌 바로 알베르트 아인슈타인이 1920년에 이 현상에 관한 이론적 연구를 수행했습니다. 그러나 여러 해가 지나고 나서야 이를 측정할 수 있는 기기가 고안되었습니다. 소리는 기체에 흡수된다는 점 때문에 복잡성이 내포되어 있습니다. 그럼에도 이 원리는 중요합니다. 여기서 근본적인 것은 두 가지를 섞기보다는 평형상태의 화학계로부터 출발하여 평형을 깨뜨리는 것인데, 이 경우에는 소리를 구성하는 응축과 감쇠에 기체를 노출시키는 것입니다.

빛이 화학반응을 야기한다는 사실은 아득한 옛날부터 알려져 왔습니다. 그러므로 빛은 색을 바래게 하고 은염을 변하게 하는데 이 작용이 바로 사진술의 기초입니다. 화학반응을 일으키는 빛의 능력은 분자의 빛 흡수에 의존하는데, 빛을 흡수한 분자는 들떠서 반응할 수 있게 됩니다. 분자가 얻은 에너지 상태의 조사는 50여 년 전에 시작되었습니다. 발견의 하나는, 분자 내의 원자가 수십억 분의 1초의 속도로 진동했다는 것입니다. 화학반응은 불가피하게 더 오래 걸리는데 그동안 원자들이 해리하고 새로운 분자로 재결합할 수 있어야 합니다. 이러한 목적을 위해서 필요한 시간은 보통 100억 분의 1초입니다. 달리 말해서 이것이 가장 빠른 화학반응 시간입니다. 이 시간들은 하트리지와 러프턴이 그들의 방법으로 측정할 수 있었던 시간의 1,000만 분의 1에 해당합니다.

1967년 노벨 화학상은 반응속도 연구라는 거대한 분야를 열었습니다. 수상자들은 제가 금방 말씀드린 원리를 적용하였습니다. 즉 평형상태에 있는 계로부터 시작해서 갑자기 하나 또는 다른 방법으로 평형을 깨뜨렸습니다.

만일 분자가 빛을 흡수해서 반응할 수 있더라도 그것은 보통 너무 빠릅니다. 따라서 어떤 분석방법으로도 어느 한 순간에 그들의 존재를 밝힐 수 있는 활성화된 분자를 증명할 수 없습니다.

1920년대 이래로 노리시 교수는 반응속도를 연구해 왔습니다. 그는 이 분야에서 지도적 과학자 중의 한 사람입니다. 조지 포터라는 젊은 동료가 1940년대 말에 그의 팀에 합류했습니다. 그들은 섬광 램프를 이용하기로 했습니다. 여러분은 사진사가 섬광 램프를 사용하는 것을 보셨을 겁니다. 유일한 차이점은 그들이 램프를 수천 배 더 강력하게 만들었다는 것입니다. 실제로 뒤이은 세밀한 조정을 통해 겨울 오후 종무시간 전 스톡홀름 전체에 전등을 켜고 공장을 돌리는 전체 효과, 즉 60만 킬로와트보다 더 큰 효과를 갖는 램프를 만들었습니다. 그러나 한 가지 문제가 있었습니다. 램프의 이 거대한 효과가 100만 분의 1초 이상 지속되지 못한다는 것입니다. 여전히 이러한 방식으로 섬광 램프 옆에 있는 튜브에서 대부분의 물질은 아니지만 많은 것이 활성화된 형태로 전환되거나 분자가 붕괴되어 높은 활성을 갖는 원자단을 만들어 냅니다. 그러면 이 새로 형성된 분자들을 분광학적으로 연구할 수 있게 됩니다. 그러나 이 분자들은 매우 쉽게 반응하기 때문에 연구가 극히 빠르게 행해져야 합니다. 현대의 전자장비는 이 빠른 과정을 기록할 수 있습니다.

노리시와 포터 교수가 개발한 새로운 방법은 분자의 행동에 극적인 변화를 줍니다. 대조적으로 아이겐 교수는 분자들을 더 관대하게 다루었습니다. 1953년 그와 두 동료는 많은 수의 염 용액에서 소리가 흡수되는 연구를 발표했습니다. 그들 연구의 이론적인 면은 이 흡수가 어떻게 용액 속에서 일어나는 빠른 반응속도를 측정하는 데 이용될 수 있는지를 보여 주었습니다. 황산마그네슘 용액은 해리되지 않은 염 분자뿐만 아니라 마그네슘과 황산 이온을 포함하고 있습니다. 평형은 약 10만 분의 1초 후에 형성됩니다. 이것이 1초에 10만 번 진동하는 소리를 용액이 흡수하게 합니다.

아이겐 교수는 몇 가지 방법을 개발했습니다. 가령 초산용액이 고긴장 전기펄스에 놓이면 수용액의 경우보다 더 많은 분자들이 해리됩니다. 이것은 일정한 시간이 걸립니다. 전기펄스를 끄면 용액은 이전의 평형상태로 돌아갑니다. 이것 또한 일정 시간이 걸립니다. 이 이완과정을 기록할 수 있습니다.

고긴장 펄스를 적용해서 야기되는 충격전류는 용액을 1 내지 2도 가량 데울 것입니다. 모든 화학평형은 온도가 변하면 약간 움직입니다. 그리고 가열 후에 새로운 평형이 빠르게 정착되는 것을 기록할 수 있습니다.

아이겐 교수는 또한 평형상태에 있는 용액에서 빠른 반응을 시작하기 위해 다른 방법들을 조건으로 지정했습니다.

전기분해에 의한 해리 평형에 관한 연구가 1880년대에 스반테 아레니우스에 의해 이미 시작된 반면, 이렇게 평형이 확립된 반응속도를 측정하는 것은 이제야 가능합니다. 가장 단순한 것부터 생화학자가 연구하는 가장 복잡한 것까지 온갖 종류의 분자를 포함하는 많은 수의 극히 빠른 반응들을 이제 연구할 수 있습니다.

비록 아이겐 교수가 노리시와 포터 교수가 사용한 것과는 다른 방식으로 반응연구를 시작했지만 두 연구팀에서 사용한 빠른 반응을 기록하는 기기는 대략 비슷합니다.

아이겐 교수, 노리시 교수, 포터 교수가 개척해 놓은 방법을 사용하는 화학자들에게 가장 중요한 것은 그 방법의 유용성입니다. 전 세계의 많은 실험실에서 이제 이 방법을 사용해서 지금까지 꿈도 꾸지 못했던 결과들을 얻고 있습니다. 그래서 이 방법은 화학 발전의 가능성에서 심각하게 느끼던 틈을 채워 주었습니다.

만프레트 아이겐 교수님.
비록 화학자들이 순간적인 반응에 관해 오래 이야기해 왔지만 그들에겐 실제 반응속도를 측정할 아무런 방법도 없었습니다. 산과 염기의 중화와 같이 반응속도가 빠른 매우 중요한 반응들이 많이 있습니다. 교수님 덕분에 이제 화학자들은 이렇게 빠른 과정을 추적할 수 있는 전 영역의 방법을 갖추게 되었습니다. 따라서 화학적 지식의 커다란 틈이 이제 메워졌습니다.

스웨덴 왕립과학원의 진심어린 축하를 전해 드립니다.

로널드 노리시 교수님, 조지 포터 교수님.
광반응은 200년 이상 화학자들의 연구 대상이었습니다. 그러나 활성화된 분자의 거동에 관한 자세한 지식은 빈약하고 대부분 부족했습니다. 두 분의 섬광 광분해 반응은 여러 상태의 분자와 그들 사이의 에너지 전달에 관한 연구에 강력한 도구를 제공했습니다.

스웨덴 왕립과학원의 진심어린 축하를 전해 드립니다. 노리시 교수님, 포터 교수님. 전하로부터 노벨 화학상을 받으시기 바랍니다.

스웨덴 왕립과학원 노벨 화학위원회 위원 H. A. 욀란데르

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