[21세기 과학 대탐험](9)나노테크놀로지
살아있는 세포를 모방한 수백만개의 극소형 분자장치들이 암세포를 하나씩하나씩 공격해 암을 치료한다.인체 혈액세포의 10분의 1밖에 되지 않는 칩이 100만대의 PC만큼 강력한 파워를 구사한다.인체의 암세포나 병원균,환경오염물질 등을 원자 수준으로 분해해 제거한다.생물체를 인공합성해 새로운 먹거리를 만든다.
이러한 꿈같은 일들이 21세기 전반기에 달성될 가능성도 있다.
눈에 보이지 않을 정도로 작은 극미세 구조를 다루는 나노테크놀로지가 21세기의 새로운 과학으로 각광받고 있다.나노테크놀로지(Nano Technology,극미세 기술)란 개개의 분자,원자,또는 분자군을 원하는대로 옮기고 조합시켜다양한 물성을 지닌 물질이나 소재,장치를 만들어내는 기술을 말한다.과학자들은 나노테크놀로지가 20세기에 실리콘이 가져 온 변화와 비교되지 않을 기술적·과학적 혁신을 인류에 가져올 것이라 전망한다.
**'21세기의 연금술'나노시대 열린다.
*나노과학의 태동: 물질을 잘게 나누면 어디까지 나눌 수 있을까.이 질문은인류의 큰 호기심거리 중 하나였고,많은 사람들을 과학에 몰입하게 한 동기이기도 했다.
오랜 노력의 결과 이제 과학자들은 물질의 기본 구성 입자를 잘 이해하고있다.물질은 원자들로 구성돼 있고,원자는 전자와 핵으로 구성된다.핵 또한더욱 잘게 나눌 수 있는데 이를 ‘쿼크’라고 한다.물질의 성질은 핵 주위의 전자의 개수와 그 분포에 따라 결정된다.원자들이 모여 간단한 구조를 가진 물분자로부터 복잡한 구조를 가진 단백질 분자까지를 형성한다.또한 1,023개 이상의 원자 또는 분자가 규칙적으로 배열돼 고체를 형성한다.단백질과생물 세포는 분자 중 가장 복잡한 형태이다.
원자의 존재와 그 구조는 20세기 초 여러 실험에 의하여 간접적으로 증명됐다.원자에서 방출되는 빛이 특정한 파장의 스펙트럼을 내는 것으로부터 전자가 특정 에너지를 가진 것을 알 수 있었고,빠른 이온화된 입자를 원자에 충돌시킴으로써 원자 내의 핵의 존재를 확인할 수 있었다.과학자들은 이 때 정립된 양자역학으로 원자들의 전자 구조를 이해할 수 있게 됐다.
*나노과학의 발달과정: 계속된 실험 방법의 발달과 계산 능력의 발전으로 원자 구조에 대한 이론적 접근도 가능해 졌다.즉 원자들이 서로 어떤 식으로반응해 거대한 분자를 이루거나 배열하여 고체를 이루는 과정을 이해하게 됐으며 이에 필요한 에너지와 그들의 안정된 구조를 계산·예측할 수 있게 됐다.과학자들은 원자를 직접 들여다 보면서 결합구조를 확인할 수 있는 방안을 모색하기 시작했다.‘머리카락 두께의 10만분의 1밖에 안되는 원자를 직접 볼 수 있다면….’ 이 얼마나 우리 모두를 흥분하게 하는 말인가.
그러나 1970 년대까지의 모든 실험방법으로는 해상도가 원자 크기에 미치지 못했기 때문에 원자,분자 및 고체의 기본 구조와 그들의 형성과정을 간접적으로만 확인이 가능했다.수소 원자의 크기는 0.05nm(나노미터,10억분의 1m)이고,고체 내부에 있는 원자들의 배열 간격은 약 0.3nm이다.이러한 크기는지금까지 발명된 광학현미경(최상의 해상도 500nm),전자현미경(최상의 해상도 1nm)으로는 측정할 수 없는 작은 크기이다.
1981년 스위스의 과학자 비닉과 로러는 양자역학적 터널링효과(전자가 자신이 가지는 에너지보다 높은 에너지벽이 있어도,전자는 이 에너지벽을 뚫고지나갈 수 있는 확률이 있다는 개념)를 이용해 새로운 현미경을 만들었다.그 동안 발전돼 온 첨단 제어기술,신소재 기술,전자 기술을 이용해 이들이 발명한 주사형터널링현미경(STM·Scanning Tunneling Microscope)은 두 도체가 0.5∼1㎚ 거리로 일정하게 떨어져 있는 경우,한 쪽에서 다른 쪽으로 전자가 터널링 할 수 있고,이 때 측정되는 전류를 측정함으로써 표면 구조를 관측하는 것이다.
이후 거리에 따라 변화하는 여러 물리량을 측정하는 주사형검침현미경(SPM)도 개발됐다.이 현미경들로 광학현미경이나 전자현미경보다 훨씬 좋은 배율을 가지며,원자를 직접 관찰·조작할 수 있게 됐다.이 기기들로 관측된 결과는 지금까지 이론적으로 예측된 구조나 성질과 판이하게 다른 경우도 있어,새로운 과학분야가 자연스럽게 생겨나게 됐다.나노과학의 탄생이다.크기의관점에서 나노과학은 100㎚ 이하 크기의 현상을 연구하는 분야다.물리적인세계에서 보면 나노세계는 곧 원자의 세계다.
이제 인류는 아무리 복잡한 구조도 원자적인 해상도를 가지고 볼 수 있으며,미세 세계의 자연은 인간 앞에서 하루 아침에 그 신비의 껍질을 벗어 버렸다.원자핵 주위의 전자의 분포를 직접 관찰함은 물론,이웃한 원자 사이에 형성된 화학결합도 직접 관찰할 수 있게 됐다.물론 이 반응에 관여하는 원자를 움직여 반응을 유도할 수 있고,이 반응 과정을 나누어 관찰할 수도 있다.
*나노과학의 미래: 원자를 자유로 움직이고,원자들끼리의 반응을 유도한다는 사실 하나만으로 나노과학의 응용분야는 예측하지 못할 정도로 많다.
조립된 새로운 화학 물질을 기본 골격으로 하는 신물질 개발,원자·분자 크기의 모터를 이용한 동력개발,기본 생명체의 합성 및 의학에의 응용,전자 소자를 대체하는 원자 크기의 기본소자 개발 및 이를 이용한 컴퓨터의 개발,생물체와의 무기물 소자와의 접속 장치의 개발 등.
생물체는 여러 원자들의 결합으로 이뤄져 있다.따라서 원자를 하나 하나 끌어와 반응을 형성하고,이 결과에 의하여 생물체를 인위적으로 형성하는 것도 상상할 수 있다.실제로 일부 과학자들은 주사형검침현미경을 이용해 생물체 합성을 시도하고 있다.이러한 과정에는 많은 시간이 소요될 것이 예상되지만 언젠가는 가능한 일이다.
노벨상수상자인 리처드 훼인만은 1959년 “원자를 한개씩 한개씩 짜 맞추어 원하는 물체를 만드는 것은 물리학의 법칙들에 위배되지 않는다”고 했다.
당시에는 ‘억측’에 지나지 않았지만 21세기의 나노테크놀로지는 이를 ‘일상사’로 만들고 있는 것이다.
국 양 서울대 물리학부 교수.
*컴퓨터·의료분야 획기적 발전 전기.
물질을 원자·분자 수준에서 제어하는 나노테크놀로지가 90년대 들어 첨단선도기술로 각광받고 있다.
원자를 하나씩 쌓아올려 필요한 물질을 실험실에서 만들어내는 나노테크놀로지가 가장 먼저 적용될 분야는 컴퓨터 칩 분야다.나노칩이 반도체칩의 한계를 극복할 수 있을 것으로 기대되기 때문이다.
현재의 정보산업의 발전은 반도체 소자의 소형화,고집적화에 의해 가능했지만 현재의 실리콘반도체 소자는 어느 단계에 이르면 물리적 한계에 도달해기억매체로 쓸 수 없게 된다.
정보의 최소단위인 비트(bit)를 구성하는 회로소자의 크기를 나노미터 크기로 실현해 DRAM(메모리 소자)을 만든다면 지금 시판 중인 256M DRAM보다 100만배 정도의 집적도를 가질 수 있다.
이 나노칩에 회로를 그려 넣는 방법들이 90년대 후반 이후 다양하게 시도되고 있다.전자가 절연체를 뚫고 지나가는 터널링효과를 이용한 주사형검침현미경을 사용하면,물체를 원자적 배율로 관찰함은 물론 원자들을 직접 움직여원자 크기의 구조 제작도 가능하다. 최근 주사형검침현미경의 뾰족한 끝에유기물 잉크를 묻혀 리소그라피(선 긋기)를 수행한 결과 작게는 30㎚ 크기의선을 만들기도 했다.
나노테크놀로지는 ‘나노기능소자’라는 또 다른 가능성을 제시한다.덩어리크기의 물질을 잘게 나누어 소자를 만들기보다는, 자연계의 모든 생물체가그렇듯이 원자나 분자 크기의 물질을 모아서 소자를 만들어야 한다는 새로운발상이다.
바이러스나 암세포를 분석하고 퇴치하는 분자칩,DNA합성기 등 나노기계를 만들 수 있게 된다.
많은 과학자들은 원자 단위의 조작을 위해 새로운 나노도구를 개발 중이다.
미국 하버드대학의 찰스 리버교수팀은 지난 해 말 미세한 유리막대를 금 전극으로 둘러싼 뒤 이 전극에 지름이 50㎚,길이가 4㎛(1㎛=100만분의 1m)인탄소나노튜브 가닥을 붙여 나노핀셋을 만들었다.전류의 조절에 의해 조종되는 ‘분자 젓가락’은 앞으로 DNA를 조작하거나 나노기계 제작,미세수술 등에 이용될 전망이다.
함혜리기자 lotus@
