나노 과학이 만드는 세상(9) : 펨토 레이저

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<펨토 레이저>

나노세계를 만들기 위한 가장 필요한 것은 나노 세계를 다룰 수 있는 장비이다. 극도로 발전하는 현미경 등이 그것으로 수많은 사람들이 노벨상을 받았는데 1999년 노벨상도 특이한 장비를 개발한 학자에게 돌아갔다.

아메드 즈웨일(1946~2016) 1999년 노벨 화학상

1999년 스웨덴 노벨상위원회는 미국 캘리포니아 공대의 아흐메드 즈웨일 교수에게 노벨화학상을 수여했다. 그의 수상 주제는 「펨토 초 분광기를 이용한 화학반응의 전이상태 연구」인데 간단하게 말하여 1980년대 중반 새로운 형태의 초고속 카메라(?)를 발명한 공으로 상을 받은 것이다. 카메라라하니 필름을 빨리 돌려 만드는 초고속 카메라가 아니다. 분자가 원자와 원자로 분리되는 순간을 레이저로 관찰하는 초고속 카메라다.

즈웨일 교수는 이집트 태생 미국의 화학자로 알렉산드리아 대학교에서 석사학위를 취득하였으며, 1973년 펜실베이니아 대학교에서 박사학위를 취득하였다. 캘리포니아에 있는 버클리 대학교에서 포스트닥 과정을 이수하였으며, 1976년부터 캘리포니아 공과대학의 교수로 임명되었다.

초당 5조 프레임…세계서 가장 빠른 카메라. 출처 나우뉴스

즈웨일 교수는 자신이 개발한 초고속 카메라로 요오드화나트륨(NaI)이 요오드(I)와 나트륨(Na)으로 갈라지는 순간을 ‘찍었다’. 인류가 처음으로 1,000조분의 1초에 벌어지는 분자들의 움직임을 보는 순간이었다.

반응분자가 전이 상태라고 불리는 메타포어를 통과할 때의 상태를 실시간으로 관찰하는 것을 가능하게 해주는 펨토화학이라는 분야를 창시하였다. 그러나 즈웨일 교수 혼자 이런 성과를 만든 것은 아니다. 한마디로 선임 연구들이 있었다는 뜻이다.

시속 100㎞로 달리는 기차의 사진을 선명하게 찍으려면 간단하게 속도를 생각하면 된다. 시속 100㎞의 기차는 1초에 30m를 움직이므로 적어도 1/1,000초보다 빠른 셔터 스피드를 갖는 카메라를 사용해야 선명한 사진을 얻을 수 있다. 아주 짧은 시간 동안 일어나는 원자 또는 분자 상태 변화를 감지하려는 경우도 마찬가지다. 원자나 분자의 결합상태 변화는 피코초(10^-12)에서 펨토초(10^-15)라는 엄청나게 짧은 시간 동안에 일어나므로 이보다 더 짧은 시간 동안에 현상을 측정할 수 있는 방법이 필요하다.

시어도어 마이만(1927~2007)

1960년 메이먼(Theodore H. Maiman)에 의해 루비 레이저가 개발된 이후 레이저의 활약은 그야말로 폭발적이다. 연구 분야에서 레이저를 이용한 원자 분자 분광학의 덕택으로 수많은 원자와 분자의 에너지 준위를 매우 정확하게 알 수 있으며 이 덕분에 높은 정밀도로 화학 물질을 검출하고 분리하는 일이 가능해 졌다.

연구 분야가 아니더라도 레이저는 거의 일상화된 면이 있다. 바코드 스캐너, 레이저 포인터, 레이저 프린터 이외에 레이저 수술이나 레이저 용접 등 많은 영역에서 레이저는 맹활약 중이다.

레이저는 활용면에서 두 가지로 나뉜다. 시간에 따라 일정한 세기와 파장을 갖는 연속형 레이저와 펨토초 정도의 짧은 시간 동안만 지속되는 펄스형 레이저다. 즉 주어진 에너지를 긴 시간 동안 일정한 세기로 방출한다면 연속형 레이저이고, 짧은 시간 동안만 방출한다면 펄스형 레이저가 된다.

1초에 지구를 일곱 바퀴 반이나 돌 수 있는 빛이 10펨토초 동안에 겨우 3마이크로 밖에 진행할 수 없다. 이는 머리카락 굵기의 수십 분의 1에 해당된다.

펨토초는 1,000조분의 1(10^-15)초를 말한다. 10^-15를 의미하는 단위명이 펨토(Femto)이기 때문에 붙여진 이름이다. 1펨토초 동안 세상에서 가장 빠르다는 빛도 고작 0.3마이크로미터(10^-6m)를 움직일 뿐이다. 우리가 자주 쓰는 ‘눈 깜빡할 시간’이 약 10분의 1초이며 빠르다고 이야기하는 총알이 물체를 통과하는 데 걸리는 시간은 겨우 100만분의 5초이다. 펨토초의 단위를 이해할 것이다.

펨토초 정도의 매우 짧은 시간 동안에 큰 세기를 갖는 펨토초 레이저를 이용하면, 매우 빠르게 일어나는 원자나 분자의 상태 변화를 추적하거나 핵융합 반응을 일으킬 수도 있다. 펄스형 레이저의 경우 순간적으로 큰 출력을 얻을 수 있는데 증폭을 할 경우 테라와트(10^12 W)에 해당하는 순간 출력을 낼 수 있다.

이와 같이 빠른 순간이 필요한 것은 세상을 구성하는 분자와 원자 세계에서는 펨토초가 기본 단위이기 때문이다. 화학반응이 일어날 때 입자들의 움직임 즉 생체 내에서 효소가 분자를 떼었다 붙였다 하는 사건이 펨토초 단위에서 일어난다는 것을 아는 사람은 거의 없을 것이다.

예를 들어 광합성이 일어날 때 엽록소 분자가 에너지를 전달하는 시간은 약 350펨토초로 알려진다. 사람이 인식하기도 어려운 이 짧은 시간에 식물은 빛을 받아 에너지로 바꾼 뒤 저장한다. 엽록소뿐만이 아니다. 효소가 유기물에 산소를 붙이는 시간은 약 150펨토초, 수소 원자에서 전자가 원자 주변을 한 바퀴 도는데 걸리는 시간은 0.1펨토초다.

펨토초 레이저는 10〜50 펨토초 동안만 켜졌다 꺼지는 펄스로 이루어져있다. 깜빡깜빡하는 펄스를 분자나 원자에 쏘면 이 펄스는 펨토초 시간동안만 분자를 만났다가 반사된다. 이 반사된 빛에 분자의 모습이 담겨있다. 바꿔 말해 펨토초만에 찍어내는 카메라인 셈이다. 펄스를 연사하면 펨토초라는 ‘찰나’의 시간 동안 분자가 어떻게 움직이는지 담은 ‘동영상’도 만들 수 있다.

즈웨일 교수가 만든 초고속 카메라는 바로 이 연속적인 펨토초 레이저를 이용했다. 먼저 레이저 펄스로 분자 안에 있는 전자에 에너지를 공급해 들뜬 상태로 만든다. 원하는 만큼의 시간이 흐른 뒤 두 번째 레이저를 쏴 들뜬 전자에서 나오는 빛을 측정한다. 이 빛의 세기는 분자의 운동과 성질에 관한 정보를 담고 있다. 에너지를 받은 분자가 내는 빛이 시간에 따라 어떻게 변화하는지를 관찰해 분자의 운동 상태를 알 수 있는 것이다.

펨토초 레이저는 빛의 파장이 펨초토 길이로 매우 짧기 때문에 같은 속도를 가진 다른 빛에 비해 진동수가 매우 크다. 빛의 에너지 크기는 진동수에 따라 결정되기 때문에 펨토초 레이저는 다른 레이저에 비해 에너지가 크고 응용범위가 넓다.

두께가 매우 얇은 첨단소재나 부품을 만들 때 파장이 짧은 펨토초 레이저를 이용하면 세밀한 작업을 훨씬 안전하고 빠르게 할 수 있다. 이제까지 써온 레이저는 파장이 길고 열이 많이 발생해 금속 표면을 가공하는 과정에서 녹이거나 지저분한 상태로 만들 위험이 있었다. 그러나 펨토초 레이저는 소재에 발생하는 열의 영향을 거의 받지 않기 때문에 금속 표면을 깨끗하고 정밀하게 가공할 수 있다.

펨토초 레이저에 학자들이 가장 기대하는 분야는 의학계다.

보통 수술용으로 많이 쓰이는 일반 레이저는 커다란 조직은 잘 치료하지만 작은 세포는 태워서 죽이거나 손상을 입히는 단점이 있다. 작은 크기의 수술도 가능한 이온 치료법이 있긴 하지만 이는 진공 상태에서만 가능해 반도체 같은 물질에만 쓸 수 있다. 하지만 펨토초 레이저를 이용하면 펄스의 짧은 파장을 이용해 10마이크로미터보다 작은, 살아있는 세포 1개에 생긴 병까지 치료할 수 있다.

 

펨토초 레이저 초정밀 가공설비(기계연구원)

펨토초 레이저를 이용하면 작은 규모의 시설에서도 암치료에 충분한 고에너지 이온빔을 만들면 많은 암환자가 이용할 수 있다는 뜻이다. 장비가 소형으로 되면 안과용 각막이식이나 라식수술에도 펨토초 레이저는 유용하다. 2004년 독일의 연구팀은 펨토초 레이저를 이용해 무통 치과 치료 기술을 개발하기도 했다.

의학 분야에만 펨토초 레이저가 활용되는 것은 아니다.

소립자 물리학의 펨토초 레이저의 활약은 그야말로 놀랍다. 우주의 탄생 비밀을 밝혀줄 쿼크나 암 치료에 쓰이는 양성자를 얻기 위해서는 원자나 전자를 가속시켜 충돌을 일으킬 가속기가 필요하다. 그러나 이들을 만들어낼 수 있을 정도로 강력한 전압과 속도를 일으키기 위해서 수~수십 km 크기의 가속기가 필요하다. 반면 펨토초 레이저를 증폭하면 순간적으로 강력한 전압을 걸 수 있어 훨씬 작은 크기의 가속기를 만들 수 있으므로 공간도 줄일 수 있어 경제성도 있다.

1980년대 중반에 등장해 1999년에 노벨상을 받을 정도로 진가를 인정받은 펨토초 레이저는 2000년대 들어 더욱 종횡무진 활약하고 있는데 한국의 과학기술원(KAIST) 등 여러 연구원에서 펨토초 레이저를 도입하여 연구 중이며 많은 회사들이 이들의 실용화에 투신하고 있다.

근래 놀라운 발표는 펨토초를 넘어 전자가 움직이는 아토초(10^-18) 영역까지 연구 대상이 확보되었다고 한다. 펨토초 레이저의 펄스가 더 정교하고 빠르게 깜빡인다는 것은 그만큼 인간을 대상으로 하는 활용도가 넓어진다는 것을 의미한다.

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<노벨상 추천사>

전하, 그리고 신사 숙녀 여러분.

우리 화학자들은 분자와 그들의 고유한 성질을 이해하고, 분자들이 만날 때 무슨 일이 일어날 것인지 예측합니다. 즉 분자들이 서로 약하게 끌릴지 아니면 정열적으로 반응해서 새로운 분자를 생성할지 예측합니다. 크게는 생명이라 불리는 복잡한 화학을 이해하려고 합니다. 지식의 혁명을 통해서 분자는 오늘날 생물학과 약학에서부터 환경과학 및 기술에 이르는 모든 분야의 중심입니다.

화학의 진수는 화학반응, 즉 원자 간의 화학결합이 끊어지고 형성되는 것입니다. 그러면 화학반응은 어떻게 일어날까요? 우리 모두는 화학반응이 각기 다른 속도로 진행된다는 것을 알고 있습니다. 못이 녹스는 데 걸리는 시간과 다이너마이트가 폭발하는 데 걸리는 시간을 비교해 보십시오. 알프레드 노벨 박사는 반응속도가 중요하다는 것을 알고 있었습니다. 다이너마이트는 너무 빨리 반응해서 대포에 사용될 수 없습니다. 대포 자체가 폭발해 날아갈 것입니다.

스반테 아레니우스(1859~1927) 1903년 노벨화학상

그는 또한 고온에서 화학반응이 더 빨리 진행한다는 것을 알고 있었으나 그 이유는 알지 못했습니다. 이것은 웁살라에 있는 물리화학 강사 스반테 아레니우스 에 의해 밝혀졌습니다. 네덜란드의 과학자 야코뷔스 반트 호프에 의해 영감을 받은 아레니우스는 반응속도에 관한 최초의 이론 및 반응속도의 온도 의존성을 보이는 반응속도식을 제시했습니다. 이 반응속도식은 이제 100년 이상 사용되고 있습니다. 아레니우스 자신은 다른 업적으로 1903년에 노벨 화학상을 받았습니다.

과학은 항상 점점 더 작고 점점 더 빠른 사건을 이해하려고 노력해 왔습니다. 아레니우스 시대 이래로 점차 빨라지는 반응속도를 측정하기 위한 많은 방법이 개발되었습니다. 이들 중 많은 수가 노벨상을 받았습니다. 그러나 최근까지 어느 누구도 반응분자가 전이상태라 불리는 메타포를 통과할 때 반응분자에 실제로 무슨 일이 일어나는지 관찰할 수 없었습니다. 메타포는 결합이 끊어지고 형성되는 일종의 반응 중간상태입니다. 이것이 인류에게 비밀로 남아 있었습니다.

분자는 분자 내에 있는 원자들이 움직이는 정도의 빠른 속도로 전이 상태를 통과합니다. 분자는 매초 1,000미터의 속도로 움직입니다. 거의 총알만큼 빠릅니다. 그리고 분자 안에서 원자들이 조금 움직이는 데 걸리는 시간은 보통 수십 펨토 초(1펨토 초 = 10^-15초)입니다. 이렇게 빠른 현상을 볼 수 있다고 믿는 사람은 거의 없었습니다.

그러나 이것이 바로 아메드 즈웨일 교수가 해낸 연구입니다. 12년 전 그가 발표한 연구 결과는 펨토화학이라는 과학 분야를 탄생시켰습니다. 이것은 반응 도중의 분자를 촬영하고 전이상태의 극히 짧은 순간을 포착하기 위해서 세상에서 가장 빠른 카메라를 사용하는 것으로 비유할 수 있습니다. 그의 ‘카메라’는 10여 펨토 초 동안 지속되는 빛을 사용하는 레이저 기술입니다. 강한 레이저 광선에 의해 반응이 개시되면, 그 현상을 추적하기 위한 일련의 뒤따르는 광선들에 의해 반응이 연구됩니다. 이 실험의 성공 열쇠는 최초의 펨토 초 광선이 시료 내에 있는 모든 분자들을 일시에 여기시켜서 그 원자들이 규칙적으로 진동하게 하는 것입니다.

첫 번째 실험은 단순한 반응에서 어떻게 결합길이가 늘어나고 결합이 끊어지는지를 느린 영상으로 보여 주었으나, 곧 복잡한 반응에 관한 연구가 뒤따랐습니다. 그 결과는 종종 놀라웠고 반응 도중 원자들의 움직임은 예상했던 것과 다르다는 것을 알게 되었습니다. 즈웨일 교수가 빠른 레이저 기술을 사용한 것은 갈릴레이가 망원경을 사용한 것에 비유될 수 있습니다. 갈릴레이는 천체에서 빛나는 모든 것에 그의 망원경을 들이댔습니다. 즈웨일 교수는 문자 그대로 분자의 세계에서 움직이는 모든 것에 그의 펨토 초 레이저를 들이댔습니다. 그는 자신의 망원경을 과학의 미개척 분야로 향하게 한 것입니다.

아메드 즈웨일 교수는 분자의 생애에서 결정적인 순간, 즉 화학결합이 끊어지고 형성되는 순간을 정확히 보여 주는 실험을 수행한 최초의 화학자로서 노벨 화학상을 수상하게 되었습니다. 그는 아레니우스 이론 뒤에 있는 실제 세계를 볼 수 있었습니다.

아레니우스 이론

화학반응의 진행 과정을 자세히 이해하고 예측하는 것은 대단히 중요합니다. 펨토화학은 화학의 전 분야뿐만 아니라 재료과학(미래의 전자공학)과 생물학 같은 인접 분야에도 응용될 수 있습니다. 레티날 분자가 그 예인데, 빛이 이 분자를 비틀어지게 하면 신경신호가 뇌로 보내진다는 것이 발견되었습니다. 이 반응은 단 200펨토 초가 걸리는데 이것이 빛에 대한 눈의 민감도를 설명해 줍니다.

펨토 화학은 우리가 화학반응을 바라보는 방식을 급격히 변화시켜 왔습니다. 수백 년 동안 전이상태를 둘러싸고 있던 안개가 걷혔습니다.

즈웨일 교수님.

저는 이 자리에서 교수님의 선구적 연구가 과학자들이 화학반응을 바라보는 방식을 어떻게 근본적으로 변화시켰는지를 설명하려고 노력했습니다. 이들을 전이상태인 메타포라는 용어로만 기술하던 제약에서 벗어나 이제 우리는 분자 내에서 원자의 실제 움직임을 연구할 수 있습니다. 우리는 이것들을 제시간에 논할 수 있고, 우리가 상상하는 방식으로 배치할 수 있습니다. 이것들은 더 이상 볼 수 없는 것이 아닙니다.

스웨덴 왕립과학원의 진심어린 축하를 전해 드립니다. 앞으로 나오셔서 전하로부터 1999년 노벨 화학상을 받으시기 바랍니다.

 

참고문헌

「화장」, 전완길, 과학동아, 1995년 9월

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「나노 세계의 눈과 손, 원자현미경」, 박은정, 과학향기, 2006.07.17

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「산을 넘고 바다 건너 방사선 뚫고」, 김은영, 동아사이언스, 2006.12.17

「세상을 바꾸는 ‘찰나’, 펨토과학」, 김은영, 과학향기, 2007.03.05

「바이오 기술, 맞춤형 화장품 시대 연다」, 유익동, 파퓰러사이언스, 2007년 10월

「펨토초 레이저와 과학의 발전」 , 남창희, 필사이언, 2008. 01. 07

「우주 엘리베이터를 향한 '무한도전'」, 윤지로, 세계일보, 2008.11.17.

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｢노벨상 위원회 실수로 ‘한국인 최초 노벨물리학상’ 날아가｣, 디지털뉴스팀, 경향신문, 2010.11.29.

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｢1g에 120만 원? 초고가 첨단소재 대량생산 가능해졌다｣, 전승민, 동아사이언스, 2015.12.13.

｢당뇨환자, 채혈·주사바늘 고통에서 해방된다｣, 이우상, 동아사이언스, 2016.03.22

「[IF] 생명 정보 담는 DNA가… 이젠 당신의 사진도 저장합니다」, 박건형, 조선일보, 2016.04.30.

｢신소재 그래핀 성능 떨어뜨리는 원인은 ‘주름살’｣, 권예슬, 동아사이언스, 2016.10.11

｢깎을까 쌓을까 나노세계 건설하는 두 가지 방법｣, 최영준, 동아사이언스, 2017.05.11.

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「USB 아닌 몸속 DNA에 파일 저장하는 시대 올까요」, 송준섭, 조선일보, 2017.08.16.

「[KISTI 과학향기]DNA로 정보를 저장하는 시대 올까」, 이화영, KISTI 과학향기, 2017.08.17.

｢그래핀 나노리본으로 양자 큐비트 만든다｣, 김진호, 동아사이언스, 2018.08.09

｢그래핀을 초전도체로 만드는 마법의 각 1.1도, 원인 규명에 한 걸음 더｣, 조승한, 동아사이언스, 2019.08.01

｢0.5nm 초박막 다이아몬드 제작 기술 나왔다｣, 윤신영, 동아사이언스, 2019.12.10

｢'꿈의 물질' 그래핀 적층 순서 제어하는 기술 나왔다｣, 고재원, 동아사이언스, 2020.01.25

｢스티커처럼 자유롭게 뗐다 붙이는 이차전지 나왔다｣, 김민수, 동아사이언스, 2020.02.25.

｢스스로 납작해지는 2차원 그래핀 섬유 나왔다｣, 김민수, 동아사이언스, 2020.08.13

｢그래핀｣, 나무위키

https://blog.naver.com/strategicdh/70095702402

https://www.callawaygolfkorea.co.kr/channelc/golfAndStoryView.do?idx=34444

https://kin.naver.com/qna/detail.nhn?d1id=11&dirId=111605&docId=305262461&qb=RE5B7JeQIO2MjOydvCDsoIDsnqU=&enc=utf8§ion=kin&rank=1&search_sort=0&spq=0

https://blog.naver.com/ajoubiology?Redirect=Log&logNo=221434148453

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