모든 물질의 근원은 원자라는 0.1~0.2nm(나노미터)의 작은 입자다. 1nm는 10억 분의 1m를 뜻하는 미시세계의 단위다. 머리카락 두께보다 5~10만 배나 작다. 나노물질은 원자들이 모여 이룬 1~100nm 크기의 물질을 말한다. 우리 몸을 구성하는 DNA나 단백질이 나노물질에 해당한다.

이병훈 IBS 나노입자 연구단 연구원(서울대 박사과정)은 육안으로는 관찰조차 어려운 이 미세한 입자의 매력에 빠져들었다. 현대과학의 뜨거운 감자로 등장한 나노물질들과 그 활약에 관한 세미나를 들으며 진로를 결심했다. 그리고 지금은 나노입자를 에너지 산업에 적용하기 위한 연구에 매진하고 있다.

[피플 인터뷰 영상보기] IBS 나노입자 연구단 이병훈 연구원.

나노세계의 금은 금색이 아니다

1900년대 초 인류는 원자를 관측하게 됐다. 하지만 나노미터 수준에서 원자를 조작할 수 있게 된 건 1990년대 후반의 일이다. 도대체 크기가 과학에서 어떤 의미기에 이토록 작은 물질을 다루기 위해 긴 시간을 쏟았을까.

우리 눈에 보이는 거시세계는 미시세계 물질들의 특성을 토대로 만들어진다. 미시세계의 DNA가 모여 한 사람을 구성하는 것처럼 말이다. DNA 즉, 유전적 특성이 서로 다른 두 사람의 외향과 성격이 다르듯, 미시세계에서의 작은 변화는 거시세계에서의 큰 변화를 이끈다. 마찬가지로 나노 연구 역시 미시세계의 특성을 토대로 거시세계의 현상을 이해하려는 목적에서 시작됐다.

이 과정에서 과학자들은 또 다른 사실도 깨달았다. 같은 원자로 이뤄진 물질이라도 ‘크기’에 따라 그 성격이 확연히 달라진다는 것이다. 일례로, 같은 금(Au)이 금색을 띄는 것과 달리 나노세계의 금은 크기에 따라 빨주노초파남보의 여러 색으로 변한다. 가장 단단한 광물로 알려진 다이아몬드조차 나노 세계에서는 휘고 탄성을 가진 물질이 된다.

이 연구원은 “나노입자는 우리 눈에 보이는 덩어리 형태의 물질과 다른 독특한 성질을 나타낸다”며 “나노입자를 다루는 나노기술이 전 세계적으로 미래를 바꿀 핵심기술로 각광을 받고 있는 이유”라고 설명했다.

최근엔 현미경을 비롯한 과학기술의 발전으로 나노보다 더 작은 피코미터(pm‧10-12m)나 펨토미터(fm‧10-15m) 크기의 물질까지 관찰할 수 있게 됐다. 최근엔 과학기술의 발전으로 나노보자 이들 과학의 등장이 나노과학의 자리를 위협하진 않을까라는 필자의 괜한 걱정에 이 연구원은 이렇게 답했다.

“거시세계에서 일어나는 현상을 이해하기 위해 나노과학이 필수적인 것처럼, 미시세계의 과학기술은 서로 분리돼있는 것이 아니라 함께 공존하며 발전해나갈 것이라고 생각합니다.”

▲ 현택환 IBS 나노입자 연구단장(맨 왼쪽)이 이끄는 나노입자 연구단은 나노 입자의 합성과 그 응용에 연구의 초점을 맞추고 있다.

나노 입자로 세상 읽기

이 연구원이 속한 IBS 나노입자 연구단은 이처럼 팔색조 같은 매력을 지닌 나노입자를 이용해 인류의 삶을 유용하게 만들 성과들을 연달아 발표했다. 가령 태양빛만 받아도 청정에너지원으로 꼽히는 수소를 생산하는 나노촉매가 대표적인 사례다. 연구진이 지난 4월 국제학술지 ‘네이처 머터리얼스(Nature Materials)’에 발표한 연구에 따르면 연구진이 개발한 이산화티타늄 나노입자와 구리 원자를 결합한 형태의 촉매는 현존 나노촉매 중 최고 효율을 기록했다.

“지구에 사는 모든 생명체는 태양으로부터 에너지를 얻습니다. 식물이 광합성을 토대로 생장하고, 먹이사슬에 따라 다른 동물들에게 전달되는 식이죠. 과학기술이 발전했어도 아직 수천 년에 걸쳐 발전해 온 자연의 섭리를 능가하는 에너지원을 개발하진 못했습니다. 어쩌면 저를 포함한 많은 나노과학자들의 최종적인 목표가 자연의 광합성이나 생체의 촉매 작용을 능가하는 인공 에너지원을 만드는 것인 이유이겠지요.”

▲ IBS 나노입자 연구단 연구진이 개발한 이산화티타늄/단원자 구리 촉매. 햇빛만으로도 수소를 생산할 수 있다.

나노과학은 ‘우주’다

비교적 신생학문인 만큼, 아직까진 풀어가야 할 숙제가 더 많다. 이 연구원은 실험으로 얻은 데이터들이 기존의 과학적 상식과 달라 당황하게 된 경우도 많았다고 한다. 이럴 때는 동료 연구자들과 논의를 통해 데이터를 객관적이면서도 창의적인 시선에서 분석하려고 노력한다. 이 연구원은 기존에 없던 어떤 현상을 발견하고 이해한 뒤, 이를 바탕으로 다른 과학기술 분야에 기여하는 새로운 지식을 써 내려가는 것이 나노과학의 매력으로 꼽았다.

“현대 시대의 과학이 추구하는 최종 목표가 두 가지가 있다면, 하나는 우주 현상을 완전히 이해하는 것이고 다른 하나는 물리‧화학‧생물 현상을 원자 수준에 이해하는 것 일겁니다. 하나는 거시적인 극단에 있고, 다른 하나는 미시적인 극단에 있지요. 크기에 있어서는 서로 완전히 반대지만 알고자하는 과학적 지식이나 가능성은 끝없다는 공통점이 있습니다.”

이병훈 연구원은 나노과학이 우주를 탐구하는 일과 닮았다고 설명했다. 우주를 탐구하는 일과 원자 수준에서 세상을 관찰하는 일 모두 아직 밝혀내야 할 일이 무궁무진하기 때문이다. 어쩌면 원자의 입장에서 우리가 사는 거시세계의 세상은 우주처럼 헤아릴 수 없는 넓은 공간으로 보일지도 모른다.

▲ IBS 나노입자 연구단은 동료 연구자들과의 소통을 통해 창의적인 연구를 해나간다.

IBS 커뮤니케이션팀
박인혜