화학 교과서를 새로 써야하는 새로운 발견이 나왔다?! 탄소-탄소 결합이 홀전자로 가능하다! 과연 그 의미는?! (긴급속보 - 광운대학교 장홍제 교수)

교과서는 쉽게 바꿀 수 없거든요. 그렇죠. 교과서라는 건 굉장히 기초적인 내용을 학생들을 대상으로 많이 배우는 거다 보니까 너무 많은 예외적인 거나 가능성을 시작부터 알려주면 이제 혼란에 빠질 수가 있어서 아이들의 길을 잃죠. 그거는 이제 다 이해한 다음에 아, 이런 것도 사실 있었어? 라고 하나씩 꺼내는 더 궁금하면 대학원에 와볼래? 네, 안녕하세요. 반갑습니다. 안대과학의 항성 과학자 장홍지입니다. 네, 오늘 또 이렇게 화학의 장홍지 교수님을 모신 이유가 얼마 전에 제가 뉴스를 보다가 화학의 교과서를 바꿀 수 있을 만한 어마어마한 뉴스가 나왔다라는 소식을 접하고 바로 제가 SOS를 쳤죠, 장홍지 교수님한테. 그랬더니 장홍지 교수님이 어? 한 번 볼게요. 라고 하고 바로 그 다음 날 이렇게 오셨습니다. 요즘 장홍지 교수님하고 거의 매일 보는 것 같은데 아주 베프가 됐어요. 그래가지고 그럼 본격적으로 시작해 보도록 하겠습니다. 이게 오늘의 제목인가요? 네, 뭐 탄소 간의 결합에 대한 이야기인데 우리가 보통 알던 거랑 다르게 전자 하나만으로도 화학 결합이 만들어지는 것에 대한 직접적인 증거를 찾았다라는 것에 대한 논문이 아주 최근에 발표됐습니다. 네이처네요? 네, 네이처에 나왔고 아직 페이지 넘버도 뜨지 않아서 따끈따끈한 신상 논문이라고 할 수 있죠. 페이지 넘버조차 나오지 않을 정도로 긴급하게 우리가 다루고 있다. 탄소탄소 홀전자라고 돼있네요. 홀전자 이게 무슨 뜻이죠? 우리가 이제 결합을 만드는데 전자가 몇 개 소문되느냐 또 어떤 결합이 있느냐 이런 거를 화학과에서는 기본적으로 배우긴 하지만 아마 여러분들에게 이 내용의 중요성을 소개 드리기 위해서는 오늘은 좀 기초적인 내용들까지 포함해서 소개를 드려야만 할 것 같습니다. 화학 결합에 대한 내용은 이 논문에 보고되었을 때 홍보되는 보도 자료들에서 100년 만에 발견된 새로운 사실이다 이런 식으로 알려져 있는데요. 그만큼이나 화학 결합에 대한 연구는 오래전부터 돼 있습니다. 제일 유명한 거는 1916년에 길버트 뉴턴 루이스라는 이름에 뉴턴이 들어가면 대단한 사람이라고 생각하면 돼요. 그러니까, 아니 어떻게 감히 뉴턴을 넣었어? 이름에 이분은 화학 결합과 우리가 학교에서 배우는 옥텟 규칙이라는 거를 처음 만들어낸 분인데 안타깝게 노벨상을 받지는 못했지만 그만큼의 대단한 업적이 많으신 분입니다. 이것에 대해서도 많은 정치적인 이야기들이 속해 있지만 오늘은 그 핵심적인 내용만 본다면 결론적으로는 어떤 원자가 주변에 8개의 전자를 갖는 상황이 가장 좋다. 그게 제일 안정하다라는 걸 기준으로 물질마다 다 구조나 결합 방식이 설명되기 시작한 겁니다. 근데 밑에 쪽에 그림을 보면 빨갛게 동그라미 쳐진 것들은 8개씩의 전자를 함께 사용하고 있는 형태인데 이게 공부를 하다 보면 수소 같은 녀석들은 2개밖에 못 갖게 돼요. 그건 어쩔 수 없는 거 아닌가요? 어쩔 수 없다는 건 모두 알지만 이것도 사실 규칙 이름이 있긴 합니다. 우리가 옥텟이 아니라 듀플렛 룰이라고 수소를 말하고요. 전위금속은 반대로 에이틴 엘렉트론 룰이라고 하는데 우리가 가장 기본적인 것만 보다 보니까 옥텟이라고 보통 말하게 되죠. 1916년에 루이스가 이 내용을 발견한 이후에 아직까지는 결합을 말하는 이름은 없었어요. 근데 이걸 알게 된 사람이 어빙 랭뮤어라는 분이 랭뮤어 많이 들어봤어요. 랭뮤어는 본인의 이름을 따고 있는 그 저널까지 있을 정도로 굉장히 유명하신 분이고요. 대외적으로 표면 화학이라는 걸 처음 시작한 분으로 알려져 있습니다. 랭뮤어라는 분이 1919년에 낸 논문에서 제가 첫 페이지를 가져왔는데 루이스의 큐빅컬 애텀이라는 퓨어리를 바탕으로 설명을 합니다. 큐빅은 정육면체잖아요. 정육면체는 꼭지점이라는 점이 8개가 있고 그 8개의 위치에 전자가 있으니까 8개가 가능하다는 옥텍 규칙이었는데 이걸 기준으로 공유결합이라는 이야기를 처음으로 랭뮤어라는 분이 시작합니다. 화학에선 제일 아름다운 결합이기도 하고 우리가 인생이나 사회의 모든 걸 화학과 연관성이 있다 설명할 때 이 공유라는 개념을 많이 사람들이 활용을 하죠. 함께 나눈다. 랭뮤어라는 분이 이런 이야기를 한 다음에 이제 우리가 잘 아는 분이 등장을 합니다. 바로 라이너스 폴링. 로벨상을 두 번이나 수상한 두 번이나요? 그것도 단독으로 두 번 수상한 유일한 인물로 알려져 있어요. 라이너스 폴링이라는 분이 공유결합을 설명하는데 이때는 이미 점점 양자역학이라는 게 확립이 되기 시작했을 때이기 때문에 그런 상태를 고려해서 공유결합은 두 개의 전자가 만든다. 공유한다고 했지만 이 폴링은 1931년 논문에서 한 개의 전자만 갖는 결합이나 혹은 세 개의 전자로도 이루어진 홀수로 된 결합도 있을 거라는 것을 예상을 합니다. 기존에 우리가 알고 있는 관찰되기만 한 공유결합은 모두 짝수로만 이루어져 있는 거죠? 그렇죠. 홀수를 예상을 했고요. 양자역학적인 관점에서 가능할 거다 했지만 증거가 없었어요. 양자역학은 쉽게 증거를 내밀 수가 없는 거거든요. 또 화학이라는 분야 특성상 우리가 최소한 원자보다 작은 수준을 봐야 결합이 보일 텐데 이걸 분석할 수가 없었죠, 당시에는. 그래서 이 당시로부터 지금 거의 90년이 넘은 시간이 지난 오늘날에서 로벨상을 두 번이나 탈 정도의 학자가 얘기를 했으면 맞을 확률이 높거든요. 그럴 수 있죠. 근데 또 폴링이라는 분이 워낙 많은 새로운 시도를 한 분이라 예를 들어 건강을 위해 비타민C를 어마어마한 양을 드시면서 맹신하셨던 과거도 있고 너무 멀리 가시기도 하셨군요. 네네네. 그래서 사실 잊혀져 있다가 발견이 된 거고요. 그래서 이제 결합이라는 거 그것도 이제 색칠된 걸 보면 시그마 결합이라 쓰여 있는데 이 시그마 결합을 이루는 폴전자라는 건 독특했어요. 결합의 종류가 여러 가지인데 다른 결합은 하나의 전자로 됩니다. 근데 시그마 결합은 안 될 거다라고 사람들이 생각을 했었어요. 시그마 결합이 어떤 건지 한번 말씀해 주실 수 있을까요? 이게 우리가 생각하는 가장 일반적인 결합들의 모습이고 원자들이 연결된 곳마다 전자가 짝수 개수로 채워져 있습니다. 그리고 원소의 종류마다 가장 바깥쪽에 활용할 수 있는 전자 개수가 아래쪽에 보이는 것처럼 다릅니다. 이건 보통 주규일표에 있는 몇 조개의 원소냐를 기준으로 볼 수 있는데 이런 거를 감안했을 때 얘네들이 어떤 결합을 몇 개를 할 수 있느냐라는 걸 많이 예상을 해왔었죠. 그래도 간혹 보다 보면 4개의 전자가 지금 그려져 있는 부분들도 보여요. 2개도 있고 4개도 있고 그렇죠. 가장 유명한 벤젠이라는 우리가 육각형으로 그리는 화학의 대표적인 분자의 모습인데 저렇게 4개의 전자가 있는 걸 우리는 이중 결합이라고 부르고 2개의 전자만 있는 걸 단일 결합이라고 합니다. 결국 우리는 안목적으로 2개의 전자가 하나의 결합이다 라는 게 보편적인 룰로 적용이 되어왔습니다. 왜 그러면 전자가 2개가 되는 게 안정하냐 왼쪽 그림은 예를 들어서 수소 원자 2개가 가까이 다가와서 결합을 했을 때의 모습을 보여주는 건데 우리는 저 전자의 구름을 그랬을 때 결합이 만들어진 이 오비탈들의 중첩은 파동함수들의 선형 조합이라는 걸 설명이 가능합니다. 이게 양자역학적으로 이렇게 표현이 되는 거군요. 그렇죠. 다 보어가 이야기하고 했던 내용이죠. 그래서 아까 봤던 랭묘의 논문에도 보어의 이름이 등장을 해요. 제이제이 톰슨도 등장을 하고 대놓고 말합니다. 누구의 이론 뭐 어쩌고 저쩌고 하면서 그랬을 때 이게 같은 위상으로 와서 겹쳐지면 우리가 밑에 쪽으로 좀 더 안정하게 내려간다 라고 볼 수 있는 결합 오비탈이 생기고 이게 반대 위상이면 위쪽으로 쭉 올라가서 서로 다른 색깔로 색칠된 반결합 엔타이 본딩이라는 게 생깁니다. 당연히 상식적으로 본딩 오비탈에 전자가 들어갈수록 안정하고 결합이 강해질 것이다 라고 예상할 수가 있는데 그렇죠. 저 하나의 에너지 주니마다 전자가 두 개 들어갈 수가 있어요. 그러니까 두 개의 전자가 우리는 하나의 결합이라고 말을 해왔던 거고 저기 하나만 들어간다면 당연히 더 불안정할 수밖에 없습니다. 그렇죠. 근데 이제 오른쪽 그림을 보면 중간에 탄소끼리 직접 연결되어 있는 파란색 부분 그게 바로 시그마 결합입니다. 시그마 결합의 특징은 직접적인 결합이라고 볼 수 있어요. 우리가 저게 기본이 돼야 되고 그 위에 위쪽으로 빙 둘러서가 보이는 초록색의 부분 저 부분은 파이 결합이라고 부릅니다. 그래서 시그마 결합도 하나가 있고 파이 결합도 하나가 생기면 우리는 걔네를 이중 결합 이라고 부르고 만약에 파이 결합이 하나 더 생기면 삼중 결합이라고 부릅니다. 그래서 이런 형태를 봤을 때 가장 기본적인 게 시그마다 보니까 시그마 결합은 어쨌든 무조건 두 개가 생겨야만 해. 그리고 나머지는 뭐 하나 들어오면 1.5 결합 두 개 들어오면은 이중 결합 세 개 들어오면 2.5 결합 이런 식으로 소수점의 결합까지도 많이 이야기해왔었습니다. 자 근데 이 시그마 결합에 대한 증거를 보게 된 건데 우리가 알고 있는 거의 모든 분자들 그것도 탄소를 기반으로 한 것들은 지금까지 이야기했던 것을 그대로 룰을 따릅니다. 신소재들이라고 할 수 있는 그래핀이나 뭐 플러렌이나 그 외에 나와 있는 모든 구조들 또 오른쪽에 나와 있는 복잡한 거는 그 비타민이에요. 오 이거 비타민 목마요. 비타민 B12입니다. 저거를 처음 만든 사람은 노벨상을 받았어요. 전압성이라는 그 토탈신서시스라는 분야가 시작이 저거를 만들면서 검증이 되면서 노벨상을 받았습니다. 아 그랬군요. 근데 쟤네들 역시 단일 결합, 이중 결합 정도만 있지 뭐 1.5니 뭐니 이런 건 전혀 없어요. 우리는 그 존재 자체를 의심도 안 하고 그냥 당연하게 교과서에서 달아왔었던 거고 그것 때문에 이번 증거가 나오니까 야 교과서가 바뀔 만한 발견이다 라고 사람들이 말하는 거지만 사실 엄밀히 말하면 교과서가 바뀔 만한 발견은 굉장히 많습니다. 아 그런가요? 교과서를 안 바꾸는 것 뿐이에요. 교과서는 쉽게 바꿀 수 없거든요. 그렇죠. 교과서라는 건 굉장히 기초적인 내용을 학생들을 대상으로 많이 배우는 거다 보니까 너무 많은 예외적인 거나 가능성을 시작부터 알려주면 이제 혼란에 빠질 수가 있어서 아이들의 길을 잃죠. 그거는 이제 다 이해한 다음에 아 이런 것도 사실 있었어 라고 하나씩 꺼내는 더 궁금하면 대학원에 와볼래? 포섭해가는 과정이군요. 그렇게 활용할 수도 있을 겁니다. 결합이라는 종류에 대해서 사람들이 계속 새로운 발견은 이어지고 있습니다. 예를 들어 우리가 상상하는 것은 왼쪽 위에 있는 기초적인 화학 내용처럼 오비탈이나 단순한 결합이지만 어느 정도 과학에 관심 있는 분은 오른쪽처럼 이온 결합이나 중간에 공유 결합이나 오른쪽의 금속 결합처럼 단순하게 전자의 공유가 전부가 아니다라는 걸 아실 거예요. 그 중 하나가 밑에 나왔던 발견인데 이거는 작년에 그 네이처 케미스트리란 저널에 나왔던 건데 우리가 원래대로라면 안정한 그 아로마틱한 방향족을 이룬 것들이 함부로 못 바뀐다고 생각했지만 그게 마음대로 바뀌는 것도 확인이 됐어요. 원래 이 모양이 유지가 돼야 되는데 이렇게 다양한 모양으로 바뀌는 거죠. 걔네들이 공명도 깨지면서 계속 새로운 발견들이 이어지다가 이번에 진짜 근본적으로 그러면 이전까지는 하나의 전자로 된 결합이 없었냐? 그건 아니에요. 있긴 했는데 오늘 주제 제목 보면 카본 카본의 시그마가 나왔잖아요. 탄소가 아닌 놈은 된다라는 게 몇 가지가 알려졌습니다. 몇 가지라고 한 이유는 이제까지 알려진 건 단 세 가지만 알려졌어요. 그 이외엔 없다. 그래서 오른쪽 위에 보이는 붕소랑 붕소 사이에 있는 점 한 개가 찍혀있죠. 우리가 아까 점 두 개를 결합이라고 말한 것처럼 하나의 전자로 되어 있고 점선이라는 것은 저런 게 있고 왼쪽 아래에 있는 것은 알루미늄이나 갈륨 같은 금속일 때는 또 1.5 결합이 가능했던 게 있었고 이게 시그마 결합이면서 하나로 완전히 됐던 게 오른쪽에 나와 있는 불이랑 붕소 사이에 가능하다. 이 세 개까지가 알려져 있다가 이게 처음으로 가장 최근에 근데 한 개로 되는데? 라는 게 발견된 게 2022년에 처음 나옵니다. 그래서 불이랑 금속 사이에 시그마 결합이 단일 전자로 되는데? 라는 게 발견됐었어요. 근데 이 그림만 보더라도 이미 구조가 되게 제한적이고 뭔가 방해 요소가 많아서 딱 짜여져 있어서 이 상황에서만 될 것 같은 그런 조건 이때만 발견됐었고요. 이번 연구도 사실 이 맥락을 그대로 따라갑니다. 본격적인 이번 연구의 핵심은 이 그림인데 연구를 하기 위해서 탄소탄소가 연결돼 있지만 우리가 알고 있는 에탄올이나 뷰테인이나 이런 분자에서는 확인할 수가 없고요. 보면 주변에 AR이라고 쓰여있는 것들이 세 개씩 붙어있죠. 그것이 바로 문제입니다. 아루고니 아니에요. 아로마틱 링을 써 놓은 거예요. 진짜? 네. 기초적인 설명을 안 듣고 보면 비활성기체 결합 잘하고 이걸로 연구되나 보다 할 수 있지만 실제로 굉장히 많은 것들이 안목적으로 생략이 돼 있습니다. 방향적 고리들 우리가 봤던 고리들이 주변에 붙어있고 방향적 고리라는 건 말 그대로 모양이 정해져 있어요. 육각형이든 뭐 그렇게 그 말은 얘네가 부피가 좀 커서 서로 밀어내요. 붐비게 만듭니다. 그러다 보니까 저렇게 넣어가지고 밑에 그림처럼 억지로 얘네가 서로 밀어내니까 강제적으로 탄소사의 거리를 늘어날 수밖에 없는 상황에서 연구 시작하게 된 거예요. 왜냐하면 일반적인 탄소끼리 결합을 만들면 정해져 있어요. 당연히 단일 결합보다 이중 결합이 더 짧고 삼중 결합이 더 짧습니다. 더 강한 여러 개의 스프링으로 묶어놓으면 서로 좁아질 수밖에 없는 것처럼 그 말은 하나의 전제로 된 0.5 결합은 늘어날 수밖에 없고 그 상황을 억지로 만들어 놓고 연구를 시작한 거예요. 그러니까 한정적인 거죠. 근데 이 그림도 요약이 된 게 화학과 학생들은 들어봤을 거야. 3학년쯤 되면 배워요. 얀텔러 이펙트라는 게 있어요. 제일 왼쪽에 있는 아주 대칭적으로 되어 있는 정팔면체 모양 6개의 결합이 있는데 얘를 오른쪽처럼 땡긴 겁니다. 아니면 다른 개부터 결합 길이가 달랐을 때는 어떤 일이 생겼을까를 예측할 수 있는 도구가 있습니다. 그게 바로 얀텔러 이펙트라는 건데 보면 그 결과는 밑에 나온 것처럼 우리가 결합에 오비탈드 그려놨던 그 준위들이 바뀌어요. 레벨이 계층이 생기는 거네요. 하나는 더 안정해지고 밑으로 내려가면 안정해지고 위로 갈수록 에너지가 높잖아요. 그래서 하나는 안정해지고 그것만큼 하나는 불안정해지는 식으로 그 합은 결국 유지가 돼야지 보존이 되니까 이 두 개의 레벨의 평균을 내면 여기다. 근데 이 말은 우리가 바꿨을 때 그거랑 관련된 게 이제 오른쪽에 있는 하나의 예시를 가져왔는데 쟤네들은 사실 이런 걸 큐비트 기준으로 양자컴퓨터 할 때도 써요. 그래서 이제 탄소 같은 경우에도 결합이 바뀌면 에너지가 바뀐다. 이게 왜 중요하냐? 넓혀놨을 때 그 바뀐 에너지 레벨이 따로따로 존재할 때보다 안정하면은 남을 수가 있을 거다. 그게 무슨 소리죠? 그러니까 만약에 탄소가 떨어져서 독립적으로 있는 그 원자의 에너지 레벨보다 0.5 결합만 되더라도 안정화될 수 있는 상태라면 그 결합이 존재할 가치가 있다. 그렇죠. 안정화시키는 건 무조건 존재할 가치가 있는 거죠. 그거를 기준으로 접근하기 시작한 거예요. 실제로 가능한가를 본 게 이 논문의 핵심적인 다음 데이터인데요. 위에쪽에 나와 있는 구조를 사용한 겁니다. 일반적일 때 못 써요. 이게 그냥 관측을 하기 위해서 만들어진 도구라 보면 돼요. 그래서 이렇게 됐을 때 전자를 하나 넣어서 중간처럼 하나를 빼가지고 하나의 전자로 1 일렉트로니 마이너스 됐다고 써있죠. 화살표 위에. 홀전자 시그마 결합이 있다면 걔는 왼쪽 것보다는 결합 길이가 늘어날 거고 거기서 또 빼면 저 물질을 결정을 만들어가지고 그걸 X선 분석을 해서 진짜 결합 길이가 그런 걸 봤어요. 그랬을 때 진짜 예상되는 결과가 나온 거예요. 관측을 한 직접 증거지 이거를 활용하기까지는 아직은 좀 모르지만 그리고 보라색으로 선 그려진 거는 그 아이오딘을 써가지고 이 반응을 일으킨 거라서 걔네들이 이제 어떻게 작용하는가인데 우리 얘기하는 거랑 큰 상관 없고 본격적으로 연구를 했다. 그 정도입니다. 그래서 이걸 진짜 본 건데 이 에너지 밀도를 그 시뮬레이션 해가지고 봤을 때 C1 C2라고 써있는 두 개 탄소 사이에 초록색의 등고선처럼 보이는 영역이 있죠. 거기 전자가 있다는 거예요. 전자 밀도를 찍어서 본 거거든요. 그래서 결합 위치들을 쭉 따라서 초록색이 있고 비어있는 곳엔 빨강이 있어야 정상인데 거기 지금 초록으로 보이잖아요. 거기 전자가 있다는 게 확인이 된 거예요. 결합이 안 보이는 것처럼 되는데 전자가 있어요. 그럼 여기도 보면은 이 부분이겠네요. 네. 그걸 통해서 저 부분에 확실히 전자가 있고 이게 홀전자다. 홀전자가 그 사이를 연결하고 있다. 라는 걸 본 거고 그거를 오른쪽은 이제 라만이라는 분석법을 통해서 본 거고 결과적으로는 확인이 되더라. 더 자세하게 해도 라만만으로도 굉장히 많은 이야기가 있기 때문에 하나씩 증거를 수집을 한 겁니다. 이 사람들이. 근데 결론은 여기가 끝이에요. 지금 이 연구가 관측을 처음으로 해냈다. 그 다음에 그냥 계산을 한 거 정도고 사실 이게 화학이라고 생각하면 굉장히 물질적인 증거가 나오고 실제로 활용되는 것까지 보여줘야만 증거가 될 것 같지만 이런 아주 기초적인 연구는 그 뭐 힉스 입자 발견했다. 신호 이런 게 끝이잖아요. 그런 거랑 같아서 이것도 그냥 관측했다. 근데 네이처인데? 그게 관측이 어려워서 100년간 걸린 거니까. 가장 중요한 건 이거로 관측했다는 거네요. 실험적으로. 실험적으로라는 게 화학에선 중요해요. 이론만으로 완성이 될 수가 없는 분야라고 접하기 때문에. 천문학도 이론은 있지만 관측이 되냐 안 되냐가 매우 중요해요. 그래서 상석님이 이제 저에게 연락을 와서 이 논문을 보여주시면서 이게 교과서가 받길 대단한 논문인데 이걸 리뷰하려면 어떻겠냐 하셨을 때 분명 의미가 있지만 so what으로 끝날 게 아닐까라는 걱정을 좀 했어요. 하지만 저는 장홍진 교수님한테 맡겼을 때 so what으로 끝나지는 않을 거다라는 믿음이 있었어요. 그래서 이제 이 하나의 전자라는 게 그럼 화학에선 왜 사람들이 관심을 갖는 거냐를 예시만 간단하게 보여드리려고 하는데 이거는 이 전자의 개수를 사람들이 컨트롤하기 시작했습니다. 예를 들어 지금 친환경 신재생 에너지를 관심 있는 사람들이 좋아하는 것은 수소를 만드는 겁니다. 결국 물을 분해하는 거예요. 그랬을 때 사람들이 관심 있는 건 이 물을 통해 수소를 분해하는 것도 있지만 중간에 H2O2라고 써있는 분자가 있어요. 저게 과산화수소예요. 우리는 그냥 과산화수소를 연쇄가 있는 분들은 소독약 정도 요즘엔 잘 안 쓰죠. 따갑기만 하니까 약도 많고 근데 과산화수소가 오히려 의료보다 산업적인 분야에서 굉장히 많이 씁니다. 우리가 쓰는 종이 중에 친환경 종이라 그래서 약간 이거 황토색이나 갱지라고도 부르는 그런 종이도 있고 새하얀 A4용지 깨끗한 것도 있잖아요. 그 종이를 하얗게 만드는데 과산화수를 엄청 씁니다. 표백 물질이라서 또 여러분들이 탈색할 때도 그것도 과산화수소예요. 표백에 관련된 걸 쓰고 콘서트 가면 보는 그 야광봉도 딱 꺾으면 뚜둑 소리가 나면서 빛이 나잖아요. 그 뚜둑 소리가 나는 유리관이 들어있는데 그 속에 과산화수소예요. 과산화수소의 쓰임새는 아주 많은데 이걸 만드는 방법이 한정적이라 사람들이 좀 더 산소를 통해 만든다거나 이런 방식을 원해요. 근데 이걸 하려면 전자가 2개만 들어가야 돼요. 2개의 전자를 통해서 산소를 반응시키면 과산화수소가 되는데 이 반응이 컨트롤이 안 되거나 전압이 달라서 밑에 화살병 경로처럼 4개의 전자가 들어가면 물이 돼버려요. 전자를 컨트롤해야지만 과산화수소가 생긴다. 그래서 이거 2일렉트로니냐 4일렉트로니냐 이 방식을 컨트롤할 수 있는 총매를 찾는 연구도 많이 하고 이게 컨트롤이 되는 걸 찾으면 산업적으로도 가치가 있는 그런 고부가 가치 물질을 만드는 겁니다. 오른쪽 그림은 그 색깔이 아름답게 있잖아요. 저희 실험실에서 연구를 한 거예요 저거는. 뭐냐면 우리 몸에 있는 퍼옥시데이지라는 효소의 기능을 모사하는 인공 금속효소를 만든 거예요. 생명체가 하는 작용을 금속 물질로 그대로 따라할 수 있게 이런 거 할 때도 전자가 1개 들어가서 작동을 하면 파란색으로 변하는 형태로 관측이 되고 2개가 들어가면 노란색처럼 보이게 돼요. 전자의 개수를 조절하는 게 굉장히 중요한데 결합을 만들 때도 중요하지만 만약에 우리가 저거를 결합의 전자 1개냐 2개냐까지 정말 조절할 수 있는 위치까지 갔다. 그때까지 되면은 지금 이게 다야라고 했던 게 정말 엄청난 결과가 만들 수 있어요. 사실 전자 조절은 어렵죠. 우리가 전자 흘려보낸다는 건 몇 몰개 이렇게 넣어서 그 패러데이라는 유닛을 써서 표현하는데 이게 개수 단위로 된다? 이거는 정말 첨단 기술의 극한이 될 겁니다. 1몰의 개수가 6.02 곱하기 10에 23선. 이거를 몇 개 단위로 컨트롤을 한다? 정말 그 정도의 개수는 아니겠지만 물질의 개수 발생을 1개씩 하는 게 중요하고요. 이것에 대해 성과가 나오기 시작하는 게 우리가 이제 배터리의 종류가 다양하게 나오고 있잖아요. 리튬 배터리를 시작해서 지금은 그런 문제를 해결하려고 다른 원소도 쓰고 또 에너지 스토리지 하기 위해서 뭐 바나듐이나 이런 물질을 쓰는 플로우 배터리. 흐름 전지도 하고 하는데 이거 이제 3년 전에 네이처에 처음 나온 건데 이건 이제 제목 자체가 레디컬 배터리에요. 그러니까 전자 1개씩 해가지고 이 반응을 통해가지고 배터리를 구성할 수 있는 거. 그게 레디컬이라는 것의 가능성이나 잠재력이 엄청나고 전자 1개다라는 것에 대한 의미가 큽니다. 이게 홀전자 배터리를 만들면 기존의 배터리하고 뭐가 다른 거죠? 다 유기물이에요. 육각형 구조들 보이고 막 질소, 산소 있잖아요. 우리가 금속 원소를 쓰지 않고 배터리를 만드는 거는 의미가 큽니다. 왜냐면 금속은 무거워요. 지금 리튬 배터리를 쓰는 이유는 딱 하나에요. 리튬이 가벼워서요. 차세대 배터리로 언급이 많이 되는 것 중 하나가 바로 밑에 있는 그 소듐, 나트륨. 요걸 쓰는 배터리인데 그걸 썼을 때 리튬이나 소듐이나 다 전력량은 같아요. 근데 단지 더 싸고 뭐 그렇다는 장점이 있죠. 대신에 무게는 훨씬 무겁습니다. 결국 가벼운 게 중요한데 아무리 금속을 덜 쓰는 것보다 이런 유기물을 쓰면 사용하기가 훨씬 편하고요. 필름으로 만드는 등 뭘 하든 가공하기도 쉽고 우리가 상상하는 어떤 형태로든 배터리를 만들 수도 있는 거겠죠. 그래서 딱 이런 라디컬이라는 유기물을 쓸 수 있는 배터리 개발이 관심을 많이 받고 있는 분야고 결국에 전자를 몇 개씩 쓸 수 있냐는 게 의미가 큰데 우리가 여기서 오늘 본 거는 결합 기준으로 본 거고 근데 물질을 만드는 가장 기본적인 게 화학 결합, 그 케미컬 본딩이기 때문에 거기서 홀전자가 진짜 결합 만든다. 이것에 대한 의미가 있는 겁니다. 사실 옥택 규칙을 지키지 않는 물질은 많아요. 계산으로만 나오고 실제로 안 나온 게 탄소가 사중 결합이 가능할 것이냐. 지금 교과서는 우리가 오늘도 3중 결합까지만 말한 것처럼 사중 결합은 불가능하다고 하지만 시뮬레이션에서 탄소 사중 결합이 만들어질 수 있는 분자도 몇 개가 도출됐어요. 사실 화학에서 교과서가 바뀔 여지는 굉장히 많고 단지 교과서를 바꾸기 번거로운 것뿐이다. 그때마다 바꾸면 혼란스럽다. 그래서 계속해서 새로운 이야기나 흥미로운 발견들은 나올 거고 그것을 이해하고 따라가려면 아마 기초적인 화학에 대한 내용을 알면 되게 재밌게 볼 수 있을 겁니다. 제가 오늘 장훈재 교수님한테 부탁을 하면서 사실은 어떻게 보면 네이처에 나왔던 제목이거든요. 속았네요. 속았다기보다 우선 화학적으로는 의미가 커요. 근데 이제 우리 삶에 얼마나 다가올 건가를 보면 아직은 좀 많이 먼 이야기라서 얼마나 멀었나요? 한 50년이나 아 진짜? 그렇게 멀었어? 왜냐면 이런 물질을 분리를 하고 만들고 활용을 하려면 그 방법이 따로 필요한데 오히려 우주 공간이나 이런 데서 의미가 클 수 있겠죠. 더 온도가 낮고 환경이 다를 때는 이런 거를 만들어서 안정하게 분리하는 게 더 가능성이 높을 수 있고 오히려 지구에서는 쓰기가 애매할 수도 있는 그냥 흥미로운 기초과학의 발견이다 정도로 정리할 수가 있을 것 같아요. 하지만 기초과학의 발견이지만 여태까지 이론으로만 예상됐던 거를 과학적으로 실험적으로 검출을 한 거에 있어서 그 의미를 찾을 수 있다. 그렇죠. 아까도 말씀드렸지만 이게 페이지 번호가 없을 정도로 새로운 소식으로 여러분들께 전달을 해드리는 거기 때문에 오늘 조금 어려웠을 수도 있어요. 그래도 우리가 탄소라는 건 기본적으로 공유결합 그리고 이중결합 3중결합은 많이 들어봤거든요. 근데 이게 홀전자로도 결합이 가능한 것을 우리가 실험적으로 확인을 할 수 있었다. 물론 활용까지는 50년이든 60년이든 아직 갈 길이 멀지만 그럼에도 불구하고 이게 하나씩 하나씩 쌓여가야지만 뭔가 우리가 이용을 할 수 있지 않겠습니까? 그리고 우리가 그동안 이론적으로만 예측됐던 것들이 실험적으로 이렇게 하나 둘씩 검증되어가고 있다는 것이 아마 우리가 과학이 발전되어가고 있는 과정이 아닐까 생각을 합니다. 실제로 첫 발견이 원래 항상 제일 어렵죠. 그렇죠. 우리가 역사적으로 연금술에서 화학으로 넘어간 과정에서도 기체라는 게 존재한다는 발견이 정말 어려웠어요. 그래서 우리가 기체 가스를 그 혼돈 케이오스라는 단어에서 유래한 것처럼 아 그래요? 과거에는 단순히 유리로 만든 용기에 뭔가 분리돼서 발생한 걸 넣었는데 옛날에는 유리 초자의 퀄리티가 좋지 않으니까 얘가 폭발하고 깨지는 거예요. 압력이 높아져서 그걸로부터 뭔가 혼돈스러운 뭔가가 있다. 이거에서 처음 기체가 하나씩 발견되는 게 우리가 알고 있는 이산화탄소도 찾아진 거고 그게 지금 우리 삶이 어떻게 바뀌었나를 보면 아무리 오랜 시간이 걸려도 이 발견도 분명 나중에 가면은 되게 흥미로운 결과로 이어질 거라고 생각합니다. 지금까지 안될 거 아게 항성! 장원진이었습니다. 감사합니다. 안녕.