외부 자극 통해 분자의 형태 조작
미래엔 ‘만능 분자공장’ 생길 수도

우리가 처음 보는 사람의 성격을 파악하는 과정을 떠올려보자. 그 사람의 말과 행동을 쭉 관찰하는 것이 성격 파악의 한 방법이다. 조금 더 적극적으로는 상대방에게 말을 걸고 장난치면서 그에 대한 반응을 본 후 상대를 더 잘 이해할 수도 있다. 즉, 상대방에게 ‘자극’을 주고 이에 대한 ‘반응’을 보는 것이다. 이렇게 자극과 반응의 관계를 분석하는 것은 대인관계뿐만 아니라 자연계를 이해하기 위한 실험과학의 가장 기본적인 연구방법이기도 하다.

최초로 명왕성을 근접 비행하며 생생한 사진을 보내와 우리를 흥분시키고 있는 뉴허라이즌호를 생각해 보자. 이 탐사선에 장착된 검출기들은 명왕성에 가해지는 온갖 자극에 대한 반응을 분석하고 있다. 가장 커다란 자극은 태양으로부터 온다.

명왕성 표면에 쏟아지는 태양빛의 파장별 반사정도를 정밀한 분광기로 측정함으로써 명왕성의 지질학적 특성과 더불어 표면성분도 분석할 수 있다. 명왕성의 대기를 통과한 햇빛을 분석하거나 대기의 가스분자가 태양풍과 부딪히는 과정에서 발생하는 반응을 분석해 명왕성의 대기 성분과 조성비를 정확히 알아낼 수 있다. 심지어 지구에서 명왕성을 향해 라디오파를 발사, 명왕성의 대기를 통과한 전파 성분을 탐사선이 분석해 명왕성의 대기를 조사하는 실험도 예정돼 있다. 지구에서 보내는 자극에 대한 명왕성의 반응을 분석하는 것이다.

사실 햇빛이나 전파와 같은 외부자극이 명왕성에 주는 영향은 매우 미미하기 때문에 명왕성의 운동에는 별다른 변화를 주지 않는다. 그런데 자극의 대상이 분자 정도의 미시적 물체라면 어떨까. 자극의 정도에 따라 분자의 상태는 근본적으로 변할 가능성이 높다. 분자물리학 분야에서 최근 발표된 흥미로운 연구결과들은 분자에 가해지는 자극을 적절히 조정해 분자의 운동을 실시간으로 관찰할 수 있을 뿐만 아니라 분자를 원하는 방향으로 조작하는 기술이 현저히 진보하고 있음을 보여준다.

분자가 추는 댄스의 속도는 엄청나게 빠르다. 가령 세 개의 원자로 이루어진 물분자가 진동하는 횟수는 1초에 대략 100조번 정도이다. 이 정도로 빠르게 움직이는 분자결합의 운동을 추적하는 방법 중 하나는 그와 비슷한 빠르기를 가진 자극을 주고 반응을 보는 것이다. 지속시간이 불과 1조분의 1초에 불과한 적외선 펄스를 쬐어 분자의 특정 결합의 진동을 유도함과 동시에 이를 추적하는 또 다른 펄스를 연속으로 발사하게 되면 해당 결합의 운동에 대한 스냅숏을 얻을 수 있다. 이를 통해 각종 분자결합의 형성이나 변화를 정확히 분석할 수 있다. 

고재현 한림대 교수·물리학

단일 결합뿐만 아니라 분자를 구성하는 전체 원자의 운동과 변화를 실시간으로 관찰할 수도 있다. 에너지가 센 레이저 펄스를 쬐어서 분자결합을 끊거나 변형시키고 동시에 펨토초(1000조분의 1초) 엑스선 펄스를 쏘아 원자들의 위치를 확인함으로써 분자반응이 일어나는 과정을 실시간으로 추적하는 것이 가능해졌다.

레이저 펄스의 형태를 변형시켜서 특정한 화학반응만을 선택적으로 유도하거나 분자가 놓인 주변환경을 변화시켜서 원하는 반응의 속도를 수만배 빠르게 하는 등 다양한 방법으로 분자 수준의 화학반응을 정밀하게 조정하는 실험들도 성공적으로 이루어지고 있다. 이러한 연구가 진척되면 머지않아 적당한 분자 재료들을 투입한 후 다양한 자극을 주어 분자의 각종 결합을 자르고 붙이는 반응을 유도해 ‘단일 분자 회로’와 같은 분자 생산품을 만드는 ‘분자 공장’이 구현될 수도 있다.

어릴 때 한 공상과학소설에서 읽었던, 외계인이 사용했던 장치가 떠오른다. 공기 분자만 투입해서 초콜릿을 포함한 다양한 물질을 만드는 장치였다. 분자들을 교묘히 조작하는 연구가 더 발전하게 되면 먼 훗날 인류가 이런 장치를 만들어낼 수 있을까? 이런 만능기계를 만들 가능성은 희박하겠지만 분자 조작기술의 한계를 단정할 수는 없을 것이다. 외부 자극에 대한 사람의 반응은 어떤 경우엔 적당히 위장된 것이라 우리 예측과 어긋나기도 하지만 자연계의 반응이란 포커페이스가 없는 정직한 것이니 말이다.

고재현 한림대 교수·물리학