[스크랩] 노벨화학상 / 분자의 원자 결합을 마음대로 바꿀 수 있는 극초소형 분자제작기 발명

노벨과학상은 생리의학상, 물리학상이 발표되었으니 이 화학상이 마지막이다. 나는 해마다 노벨과학상 수상 소식에 촉각을 세우는데, 세상이 이렇게 발전돼가는 걸 구경하는 재미가 너무나 좋다. 올해 수상자들의 연구 업적도 다 마음에 든다. 특히 내가 머리 복잡할 때마다 들춰보는 molecular 즉 분자(생물학)학은 무궁무진한 이야기로 가득 차 있다. 한때 돈이 좀 넉넉히 생기면 분자력연구원을 만들어 이런 분자제작기를 만들고 싶었다.(가난한 나를 중학교에 다니게 해준 형이 물리화학교사였다. 이 형 덕분에 물리와 화학에 일찍부터 흥미를 가졌다. <나는 왜 과학을 즐기나>)

그중에서 화학상을 수상한 <분자조작기계 molecular machines>는 정말로 쾌거 중의 쾌거요, 앞으로 세상을 엄청나게 바꿔놓을 것같다. 찌그럭거리며 하찮은 일로 욕설이나 주고받으며 싸우는 대한민국

학계에서야 눈먼 돈이라는 노벨상연구비를 빼먹는 주제로나 관심을 가질까 큰 흥미를 느끼지 못하는 것같은데, 그러거나 말거나 세상은 이렇게 미래로 나아간다.

분자제작기 발명은 올해 발표된 노벨과학상 중 가장 혁신적인 기술로 보인다.

노벨물리학상 수상 연구 주제는 절대온도에서 움직이는 전자의 일정한 운동력 즉 Superfluid를 이용해 양자컴퓨터 발명의 기틀을 마련한 데이비드 타울리스에게 돌아갔다.

그런데 노벨화학상은 이보다 더 중요한 발견 발명인 것같다. 사실 이 세상에 존재하는 모든 물질은 원자가 결합한 분자가 기본 구조다. 원자의 결합 구조에  따라 분자가 달라지고, 그러면 물질의 성질은 천차만별로 달라진다.

물질계에서 3D프린터가 발명되어 웬만한 물건은 거의 다 찍어낼 수 있듯이 앞으로 필요한 분자는 어쩌면 <분자제작기 molecular machines>가 만들어낼지도 모른다. 

* <탄소 C + 산소 O + 수소 H>의 결합으로 만들어지는 물질들

에탄올 C2H6O     메탄올 CH3OH     탄산 H2CO3

포도당 C6H12O6  설탕 C12H22O11

* <탄소 C + 수소 H>의 결합으로 만들어지는 물질들

벤젠 C6H6    경유 C17H38    가솔린 C8H18

부탄 C4H10  프로판 C3H8      

분자제작기란?

molecular machines을 우리나라에서는 분자기계라고 번역하고 있다. 나는 분자제작기라고 한다.

우리나라에서도 이 분야에 관심 갖고 노벨상연구자금 타쓴 학자가 제법 있을 것이다. 버스는 지나갔지만 아직 연구가 다 끝난 건 아니니, 노벨상 끝났다고 실망하지 말고 응용, 실용 연구에 매진하면 된다. 일사분란 좋아하는 우리 민족은 발견 발명에는 약해도 실제 응용, 실용에서는 재빨리 뒤따라잡는 남다른 재주가 있으니 여기서 포기하면 안된다. 더욱이 비록 노벨상 주인은 정해졌지만, 분자제작기는 이제 시작에 불과한 초급 기술이다. 남의 기술 반도체로 세계시장을 개척한 삼성그룹처럼 재력이 있는 회사에서 미래 주력 산업으로 들여다볼 가치가 충분하다. 반도체는 물론 제약, 화학 산업에 굉장히 유용할 것이다.

분자제작기란 분자를 이용하여 유용한 물질구조를 조립하는 분자 크기의 장치 및 기계적 기능성을 갖는 분자집합체를 가리키는 말이다. 이 기계의 크니는 나노 단위보다 더 작아야 한다.

우리나라 국가나노기술정책센터에 가보면 분자기계를 이렇게 설명한다. 이번 화학상의 의미를 이해하기 좋은 설명이다.

- 나노기술의 목적은 분자 크기의 기계, 즉 분자기계의 개발에 있다. 분자기계는 이미 자연에 존재하고 있으며, 예로 고등동물의 세포는 단백질 제조회사에 비유할 수 있다. 

단백질은 20종류의 아미노산으로 이루어지는 분자기계이다. 세포 안에서 유전 정보에 따라 아미노산(원료)으로 단백질(제품)을 만드는 생산 공장은 리보솜으로 고성능의 나노 기계인 셈이다. 생명체는 이처럼 스스로 수 많은 분자를 결합해 특정의 구조를 가진 분자기계를 만들어 내는 이른바 자기조립 능력을 갖고 있다. 

나노기술의 궁극적인 목표는 자기 조립하는 물질을 이용해 리보솜 같은 분자기계를 만드는 것으로, 나노 기술 이론가인 에릭 드렉슬러는 이러한 분자기계를 어셈블러(Assembler)라고 명명하였으며, 어셈블러는 분자를 원료로 사용하여 이들을 유용한 물질의 구조로 조립해내는 분자 크기의 장치를 말한다. 즉, 분자기계의 정의라고 할 수 있다. 드렉슬러에 따르면 나노기술을 이용한 분자기계의 응용은 컴퓨터, 의학 뿐 아니라 NEMS기술을 이용한 기계적 장치의 활용 등 다양한 부분에 걸쳐 많은 변혁을 가져올 것으로 예상되고 있다.

이번에 화학상을 받은 분들이다.

장피에르 소바주 프랑스 스트라스부르대 교수(72), 프레이저 스토더트 미국 노스웨스턴대 교수(74), 베르나르트 페링하 네덜란드 흐로닝언대 교수(65)다.

노벨상위원회는 "수상자들은 머리카락 한 가닥의 수천 분의 1 굵기의 분자기계를 만들어냈다"며 "분자기계는 새로운 물질, 센서, 에너지저장시스템 등의 개발에 이용될 수 있다"고 평가했다. 

노벨상위원회 설명을 보니, 세 분이 만든 분자제작기는 원자 결합력이 약하긴 하지만 어쨌든 임의로 분자를 만들어내는데 성공한 듯하다. 지금까지는 자연상태에서 저절로 만들어지는 외에 분자를 인간이 손대어 조작하지는 못했는데, 앞으로 이 연구가 더 발전하면 웬만한 분자는 마음대로 만들어 쓰는 세상이 올 것같다. 그러면 여러 분야에서 큰 변화가 일어날 텐데, 어쩌면 식량문제에서도 대혁명이 일어날지 모른다.

동식물, 광물 등에 의지하여 분자물질을 얻어내던 인류가 앞으로 마음대로 문자를 조작하는 기술까지 갖게 된다면 그야말로 상상할 수 없는 신천지가 열릴 것으로 보인다. 물론 이 연금술이 재앙이 될지 축복이 될지는 인류의 손에 달려 있다.

아래 스웨덴 왕립과학원 발표 내용이다.

The Nobel Prize in Chemistry 2016

The Royal Swedish Academy of Sciences has decided to award the Nobel Prize in Chemistry 2016 to
Jean-Pierre Sauvage, University of Strasbourg, France, 
Sir J. Fraser Stoddart, Northwestern University, Evanston, IL, USA and 
Bernard L. Feringa, University of Groningen, the Netherlands

“for the design and synthesis of molecular machines” .

 Listen to interview with Bernard L. Feringa from the press conference (mp3)

They developed the world’s smallest machines

A tiny lift, artificial muscles and miniscule motors. The Nobel Prize in Chemistry 2016 is awarded to Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart and Bernard L. Feringa for their design and production of molecular machines. They have developed molecules with controllable movements, which can perform a task when energy is added.

The development of computing demonstrates how the miniaturisation of technology can lead to a revolution. The 2016 Nobel Laureates in Chemistry have miniaturised machines and taken chemistry to a new dimension.

The first step towards a molecular machine was taken by Jean-Pierre Sauvage in 1983, when he succeeded in linking two ring-shaped molecules together to form a chain, called a catenane. Normally, molecules are joined by strong covalent bonds in which the atoms share electrons, but in the chain they were instead linked by a freer mechanical bond. For a machine to be able to perform a task it must consist of parts that can move relative to each other. 

Fraser Stoddart's molecular elevator. Illustration: Johan Jarnestad.

The two interlocked rings fulfilled exactly this requirement.

The second step was taken by Fraser Stoddart in 1991, when he developed a rotaxane. He threaded a molecular ring onto a thin molecular axle and demonstrated that the ring was able to move along the axle. Among his developments based on rotaxanes are a molecular lift, a molecular muscle and a molecule-based computer chip.

Bernard Feringa was the first person to develop a molecular motor; in 1999 he got a molecular rotor blade to spin continually in the same direction. Using molecular motors, he has rotated a glass cylinder that is 10,000 times bigger than the motor and also designed a nanocar. 

2016’s Nobel Laureates in Chemistry have taken molecular systems out of equilibrium’s stalemate and into energy-filled states in which their movements can be controlled. In terms of development, the molecular motor is at the same stage as the electric motor was in the 1830s, when scientists displayed various spinning cranks and wheels, unaware that they would lead to electric trains, washing machines, fans and food processors. Molecular machines will most likely be used in the development of things such as new materials, sensors and energy storage systems.

Ben Feringa’s four-wheel drive nanocar. Illustration: Johan Jarnestad.

 

Jean-Pierre Sauvage, born 1944 in Paris, France. Ph.D. 1971 from the University of Strasbourg, France. Professor Emeritus at the University of Strasbourg and Director of Research Emeritus at the National Center for Scientific Research (CNRS), France.

Sir J. Fraser Stoddart, born 1942 in Edinburgh, UK. Ph.D. 1966 from Edinburgh University, UK. Board of Trustees Professor of Chemistry at Northwestern University, Evanston, IL, USA. 

Bernard L. Feringa, born 1951 in Barger-Compascuum, the Netherlands. Ph.D.1978 from the University of Groningen, the Netherlands. Professor in Organic Chemistry at the University of Groningen, the Netherlands.

Prize amount: 8 million Swedish krona, to be shared equally between the Laureates.

 

출처 : 바이오코드연구소

글쓴이 : 이재운1045 원글보기

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