물리학이 여는 나노의 세계

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각으로 분열되는 경향이 있다. 미국 조지아 공대의 물리학자 우지 랜드맨은 원자 블록을 아무 탈 없이 부드럽게 기판 표면에 내려앉기 위해서는 작은 액체로 된 매트리스가 필요하다고 한다. 그 이유는 예를 들어 사람이 물을 가득 채운 수영장과 물을 뺀 수영장 속으로 각각 다이빙할 때와 같은 이치이다. 랜드맨과 동료 과학자들은 최근 슈퍼컴퓨터 시뮬레이션 실험에서 결정염의 원자 블록이 액체 네온을 바른 고체 위에서는 부드럽게 내려앉을 수 있다는 것을 보여 주었다. 재료 과학자들은 이런 부드러운 착륙 기술을 이용하면 손상 없이 완전한 원자 블록으로 고체의 표면을 코팅할 수 있다고 한다. 따라서 전자, 광학, 기계, 화학 및 자기적으로 뛰어난 성질을 가진 새로운 태양전지나 반도체, 그리고 우주개발용 재료와 군수용 소재를 만들 수 있다.
한편 앞으로 몇 해 안으로 원자 블록들을 하나하나 결합하여 탁월한 지능재료를 만들 수 있는 시대가 다가오며, 이런 기술을 이용하면 우리 주변에서는 믿기 어려운 현상들이 전개된다. 나노 블록 기술의 세계에서는 현미경을 통해서나 볼 수 있는 매우 작은 나노 기술의 컴퓨터 작동장치, 그리고 센서를 이용하여 원하는 대로 자유롭게 모양과 특성을 바꿀 수 있는 재료를 만들 수 있다.
분자 스스로가 구성하는 분자 와이어
나노 기술을 이용하여 하나하나의 분자와 원자로부터 사물을 만드는 기술에서 최근 중요한 진보를 이룩했다. 미국 로스알라모스 국립연구소와 예일 대학 그리고 사우스 캐롤라이나 대학 과학자들은 스스로 모여서 초미니 와이어를 조립할 수 있는 분자를 만든 것이다. 로스알라모스 국립연구소 팀은 슈퍼컴퓨터를 사용하여 금이나 또는 은의 접점과 접착할 재료를 찾는 가운데 가상적인 폴리머의 모델을 설정해 놓았다. 그로부터 1년 뒤 이들은 탄소, 질소 그리고 수소를 포함하여 원자들의 연결고리가 복잡한 모델 구조물을 만들었다. 그리고 얼마 후 사우스 캐롤라이나 대학의 화학 교수 제임스 투어는 새로운 혼합물을 내놓았다. 로스알라모스 국립연구소의 과학자들은 이 새로운 물질을 은과 금의 접점을 가진 실리콘 웨이퍼에 넣었을 때, 이 분자들이 스스로 금속에 붙은 뒤 이웃의 접점과 연결하는 와이어를 저절로 만든다는 사실을 발견하였다. 예일 대학 전기공학 교수 마크 리드는 이 폴리머 와이어가 얼마나 많은 전기를 나를 수 있는가 시험하였다. 로스알라모스 국립연구소는 스스로 조립하는 분자로 트랜지스터를 설계하는 것을 다음의 목표로 정하였다. 이 트랜지스터를 이용하면 오늘날의 최첨단 칩보다 1천배나 강력한 컴퓨터 칩을 만드는 것이 가능하다.
세계에서 가장 작은 화학공장 나노 반응기
세계에서 가장 작은 화학공장은 사람 머리털의 수만 분의 1밖에 안 되는 작은 구멍들이 벌집처럼 뚫린 제올라이트이다. 화학자들은 이 구멍을 반응기로 사용하여 종래의 방법으로는 도저히 만들 수 없었던 물질을 창조하기 시작했으며, 이것을 '나노 반응기'라고 한다. 나노 반응기를 이용하여 개발 중인 화학 센서는 너무나 민감해서 종래에는 불가능했던 극소량의 독성물질이나 오염물질도 탐지할 수 있고 어떤 특정한 분자에 대해서만 반응시킬 수도 있다. 나노 반응기를 사용하면 광컴퓨터의 기본소자가 될 광트랜지스터용의 나노미터 크기 반도체와, 컴퓨터칩 접속자로 사용할 수 있는 분자 와이어와 같은 전자 및 광소자를 만들 수 있다.
미국 퍼듀 대학의 화학자 토마스 베인 (Thomas Bein)은 최근 제올라이트를 사용하여 가로 1나노미터 안팎의 전기가 통하는 분자의 끈인 '분자 와이어'를 만드는 데 성공했다. 그는 1989년 제올라이트 속에서 전기가 통하는 폴리머를 만들기도 했다. 그는 폴리머의 기본구성 블록인 모노머 기체를 제올라이트 터널 속으로 주입하고 폴리머 합성제를 보태 주면 모노머들이 주렁주렁 연결되어 폴리머 끈을 만들 수 있다고 생각했으나, 제올라이트 속의 이런 끈을 분석한 결과, 이 물질은 전기가 통하지 않는다는 사실을 알게 되었다. 그 이유는 제올라이트의 터널이 너무 좁기 때문이었다. 그것은 폴리머의 분자 한 개가 겨우 통과할 수 있을 정도인데, 만약에 이런 분자가 양도체가 못 되는 경우에는 전기가 통하지 못하게 되는 것이다. 베인은 두 개 이상의 함께 묶은 분자가 필요하다는 결론을 얻었다. 그래서 전자가 쉽게 통과할 수 없는 원자를 만나면 뛰어넘을 수 있게 하자는 것이었다. 그러나 당시에는 한 개의 끈 속에 한 개 이상의 분자를 가진 전도성 폴리머를 만들 수 있을 정도로 큰 통로를 가진 제올라이트가 없었다. 다행히 최근에 전 모빌 석유회사 과학자들이 10 nm까지 어떤 크기의 터널을 가진 제올라이트도 만들 수 있는 길을 열어 놓아 베인은 전도성 폴리머 끈을 만드는 데 성공했다. 그런데 종전의 가장 큰 구멍은 크기가 고작 1.3 nm였다. 베인은 현재 음파장치에 고정시킨 엷은 층의 제올라이트 결정으로 된 화학 센서의 특허를 등록하고 있는데, 한 개 또는 2~3개의 밀접한 관계를 가진 분자에만 반응하는 센서가 등장할 날도 멀지 않았다. 한편 이 분야에서 선구적인 연구를 하고 있는 토론토 대학의 화학자 제프리 오진은 제올라이트 속에서 빛에 민감한 물질의 결정을 만들어 냄으로써, 예컨대 신용카드 크기의 장치 속에 개인의 의료기록이나 또는 다른 개인 정보를 수록할 수 있는 광메모리 개발의 길을 한발 앞당기고 있다.
양자점을 이용한 종양분석
양자점(Quantum Dots)은 나노미터 크기의 반도체(CdSe 코어에 ZnS 껍질을 입힌) 결정으로 만들어진 발광입자이다. 이 양자점은 기존의 염색물질이나 형광단백질로서는 불가능한 여러 분야에서 활용이 가능한 특성을 가지고 있다. 양자점은 무기물이므로 화학반응에 안정하고 펩타이드, 단백질 및 핵산과 같은 생체 고분자에 결합할 수 있고, 이들 생체 고분자들의 특성을 그대로 유지할 수 있기 때문에 분자 영상에 유용하게 이용할 수 있다. 기존의 형광물질이나 형광 단백질이 가지고 있는 단점인 광표백과 스펙트럼 왜곡을 극복할 수 있는 장점이 있다. 그리고 양자점의 표면에 코팅된 펩타이드의 종류에 따라서 상이한 분포도를 보여줌으로써 종양 특이적이나 부위 특이적인 검사에 활용할 수 있다.

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