강 아래 강 Rio Abajo Rio

신발, 가방, 책, 가구 그리고 휴대폰의 터치스크린의 공통점은 뭘까? 전혀 상관이 없어 보이는 이것들은 모두 접착제를 써서 만든다는 점에서 일치한다. 요즘은 자동차나 비행기를 만들 때 강판끼리 붙이거나, 강판과 플라스틱을 붙이는 데도 어김없이 접착제의 도움을 받는다. 우주왕복선 콜럼비아호의 3만2천개의 방열타일 역시, 접착제로 붙여서 고정했다. 접착제 없는 현대 문명을 상상할 수 있을까?

접착제 역사는 3300년 전 이집트로 거슬러 올라간다. 두 물체 사이에 송진이나 식물의 액체 성분을 넣어두면 재료가 붙는다는 것을 발견한 것이 시초다. 이후 개발된 접착제는 크게 세 가지 종류로 발전해 왔다. 먼저 녹말풀 등과 같이 고분자를 용액으로 사용하는 것, 두 번째는 시아노아크릴레이트, 비스아크릴레이트 등과 같이 처음에는 저분자의 액상이던 것이 붙은 다음 중합반응으로 고분자가 되는 것, 마지막으로 에틸렌비닐아세테이트나 폴리아미드와 같이 고분자의 고체를 가열해 용융시켜 붙이는 것이다.

종류는 다르지만 이들 접착제의 원리는 거의 동일하다. 아무리 표면이 매끄러운 물체라도 현미경으로 들여다보면 그 표면은 매우 울퉁불퉁하다. 접착제는 이 틈 사이로 스며들어가 굳어 서로를 붙게 만드는 것이다.

주변에서 쉽게 볼 수 있는 액상 접착제는 보관 용기 안에 있을 때에는 별다른 접착력을 보이지는 않다가 밖으로 나오면 착 달라붙는다. 왜 그럴까? 이유는 접착제에 안정제가 함께 들어 있기 때문이다. 안정제가 접착제를 낱개 분자형태로 존재하게 만들어 접착을 막는다. 하지만 접착물질이 공기나 물속에 노출되면 안정제가 제 기능을 발휘하지 못하게 된다. 이때 낱개 분자들이 수백~수천 개로 결합하는 중합반응을 일으키면서 결합한다. 이 결합이 강할수록 접착력이 강해진다.

이와는 다른 형태의 접착제도 있다. 바이오칩이나 바이오센서를 제작하려면 DNA 같은 생분자를 표면에 고정시켜야 한다. 따라서 바이오칩이나 바이오센서를 만들 때 쓰는 접착제는 일반 접착제와 달리 ‘포스트잇’처럼 붙였다 떼었다하는 기능이 있어야 한다. 이런 기능을 가진 접착제 중에서 가장 강력한 접착제는 ‘아비딘-비오틴 접착제’다. 아비딘은 단백질로 계란 흰자에 함유돼 있는 성분이며, 비오틴은 비타민H 또는 B7이다.

이 두 분자의 복합체는 자연물질의 복합체 중 가장 결합력이 강한 것으로 알려져 있다. 접착제의 강도를 말할 때 ‘결합상수’로 비교하는데 아비딘-비오틴 접착제의 결합상수는 10¹³~10¹⁵나 된다. 이 의미는 분자수가 결합상수에 해당하는 10¹³~10¹⁵개 만큼을 넘어서야 비로소 결합하지 않는 분자가 1-2개 생긴다는 뜻이다. 일반적으로 결합상수가 10⁶이면 대단히 강력한 접착제로 분류하니 얼마나 강력한 결합력을 갖는지 짐작할 수 있다.

하지만 두 물질은 단백질 같은 생분자에서 추출해야 하기 때문에 많은 비용과 시간이 든다. 또 아비딘은 높은 온도에서 실험하기 어려워 다양한 유기화학반응에 이용하기에는 한계가 있다. 때문에 그동안 새로운 접착 물질을 찾기 위한 노력이 계속돼 왔다.

최근 국내 연구팀이 바이오칩, 바이오센서에 활용될 수 있는 강력한 인공분자 접착제를 개발해 관심을 끌고 있다. 포스텍 화학과 김기문 교수와 고영호 조교수팀은 미국·일본과 공동연구로 인공 수용체인 쿠커비투릴과 페로센 유도체를 결합시킨 새로운 접착제를 개발했다. 페로센 유도체는 길다란 페로센 분자의 옆에 암모늄 그룹을 가지처럼 붙인 것이다.

연구팀은 방사광가속기를 활용해 X선 결정 구조를 얻고 실험과 함께 이론적 연구를 통해 결합력이 높은 초분자 복합체의 조건을 찾아내 결합상수를 10¹⁵까지 끌어올렸다. 가장 강력하다고 알려진 아비딘-비오틴 접착제보다 더 강한 접착제를 찾은 것이다. 쿠커비투릴-페로센 유도체에 높은 결합력이 나타나는 이유는 쿠커비투릴 분자에 뚫린 구멍에 페로센이 정확히 들어맞기 때문이다. 또 지금까지 단백질-리간드 복합체를 포함한 거의 모든 초분자 시스템에서 관찰되던 분자간 밀침 현상도 나타내지 않고 있다. 덕분에 밀쳐내는 힘 없이 당기는 힘만 작용하게 돼 강력한 접착력을 갖게 됐다.

새 인공복합체는 결합력이 아비딘-비오틴 접착제에 뒤지지 않으면서도 기존 접착제가 갖고 있는 여러 단점을 해소한 것으로 평가받고 있다. 아비딘-비오틴은 단백질등 생물질에서 추출해낸, 생분자 접착제인만큼 정제하는데 많은 비용과 시간이 든다. 또한 생분자인 아비딘은 높은 온도에서 다루기가 어려워 유기화학반응에 응용하는 데 한계가 있었다. 하지만 쿠커비투릴-페로센 유도체 접착제는 인공분자 접착제이기 때문에 높은 온도에서도 안정적인 상태를 유지하는데다, 합성과 화학적 변형이 쉽다는 장점을 갖고 있다. 연구팀은 이 인공 접착제가 실용화되면 DNA칩을 제작할 때 비용과 시간을 크게 줄이고 면역실험이나 항원 정제 같은 다양한 분야에 응용할 수 있을 것으로 전망하고 있다.

과학자들은 특별한 접착제를 만들기 위해 종종 자연계에 존재하는 생물에서 아이디어를 빌려오기도 한다. 나노크기의 미세한 털을 이용해 미끄러운 창문이라도 거침없이 기어오르는 도마뱀붙이의 발바닥에서 아이디어를 빌려 고분자 실리콘에 미세한 나노 공정을 가해 접착력을 높이는 방법을 찾아냈다. 또 홍합에서 힌트를 얻어 고분자 물질과 아미노산 물질(DOPA)을 함께 쓰는 접착제를 개발하기도 했다.

이들 접착제는 강한 접착력을 가지면서도 반복해서 사용하거나 물속에서도 사용이 가능하다는 것이 특징이다. 때문에 창문을 기어오르는 로봇이나 물속에서도 오래가는 밴드 같은 의료산업에 널리 응용될 전망이다. (글 : 유상연 과학칼럼니스트)

보통 3월 14일을 화이트데이로 생각하지만 이 날은 과학사에서 아주 중요한 날이다. 시사잡지 타임이 20세기 최고의 인물로 선정한 알베르트 아인슈타인의 생일이기 때문이다. 아인슈타인은 죽은 뒤에 그의 뇌조직에 대한 연구가 진행될 정도로 천재과학자로 알려져 있다. 아인슈타인의 뇌에는 신경세포의 활동을 돕는 아교세포가 다른 사람보다 월등히 많아 이것이 천재성과 관련이 있는 것으로 추정되고 있다.

하지만 그의 뇌는 1.23㎏으로 성인 남성의 평균인 1.4㎏보다 가볍고, 성인 여성의 평균인 1.25㎏과 비슷했다. 또 잘 알려진 것처럼 유년 시절에 낙제를 할 정도로 공부를 썩 잘하는 편도 아니었다. 만 30개월이 될 때까지 말을 못했다는 믿기 어려운 일화도 전해진다. 어느날 갑자기 “우유가 너무 뜨겁다”고 말을 해, 부모가 “왜 지금껏 말을 하지 않았느냐”고 묻자, “(말할 필요 없이) 괜찮아서”라고 답했다고 한다.

천재로 알려진 아인슈타인도 그의 생활을 들여다보면 매우 평범하다. 어릴 때 어머니의 강압에 못이겨 억지로 바이올린을 배운 그가 나중에는 바이올린을 연주하면서 문제를 풀기도 하고, 인도주의적 행사를 돕기 위해 미국 뉴욕의 카네기홀에서 연주회를 갖기도 했으니 말이다. 또 사생활에서는 "95% 정도의 남녀는 천성적으로 일부일처제에 어울리지 않으며 단지 즐기기를 선호한다"고 말할 정도로 책임감과 도덕성이 부족한 행동이 많았다고 한다.

하지만 그는 1905년 3월 광양자 가설, 5월 브라운 운동, 6월 특수상대성 이론이라는 3가지 획기적인 이론을 발표해 과학사에서 1905년을 ‘기적의 해’로 불리게 만들었다. 이중 6월에 발표된 특수상대성 이론은 이미 모든 것이 결정돼 있다는 결정론적 세계관에 갇혀있던 인류에게 패러다임의 변화를 가져왔다. 또한 많은 사람들에게 시간여행이 가능할지 모른다는 기대감을 갖게 만들었다. 하지만 빛보다 빠르면 시간여행이 가능할 것이라는 생각은 여러 가지 난제에 부딪혀 현재까지의 과학 이론과 기술로는 불가능한 것으로 알려져 있다.

현재까지 빛은 가장 빠르며 속도가 일정하다고 알려져 있다. 빛의 속도는 일정 시간 동안 이동한 거리의 비로 얻어진 값이다. 그런데 빛이 이동하는 거리를 줄이거나 늘리면, 빛 속도가 일정해야 하므로 변하는 거리에 따라 시간도 달라져야 한다. 이처럼 거리가 변함에 따라 시간도 상대적일 수 있다는 것이 특수상대성이론의 핵심이다. 아인슈타인은 시간과 공간(거리)이 별개가 아니라 하나로 함께 움직이는 시공간을 만들어냈다. 시공간의 상대적 차이에 따라 관측자마다 똑같은 현상도 다르게 볼 수 있다는 것이다.

예를 들어 한 사람이 우주여행을 하면서 지구에 있는 친구에게 1분마다 소식을 보낸다. 이때 우주선이 지구와 멀어지면서 빛의 속도에 가깝게 여행할수록 우주선에서 1분마다 보내는 소식의 간격이 지구에서는 1분보다 더 길어지게 된다. 우주선의 시계는 일정한 속도로 가고 있지만 지구에서 이를 측정하는 관측자에게는 매우 느리게 가고 있는 것이다.

특수상대성이론에서 빛은 질량을 가지지 않아 빛은 중력의 영향을 받지 않는다. 하지만 일반상대성이론에서는 움직이는 시공간이 휘어져 있기 때문에 빛도 휘게 된다. 빛도 휜다는 아인슈타인의 생각은 영국의 천문학자 에딩턴이 일식 때 별빛이 태양 중력에 의해 휜다는 사실을 밝힌 뒤에야 제대로 인정받기 시작했다. 특수상대성이론은 제한적인 조건에서만 상대성이론이 적용되기 때문에 아인슈타인은 일반적인 상황에서도 적용될 수 있게 이를 업그레이드한 일반상대성이론을 발표했다.

이처럼 많은 사람들은 아인슈타인 하면 상대성이론을 떠올린다. 그래서인지 사람들은 그가 상대성이론으로 노벨상을 수상한 것으로 안다. 하지만 실제는 그렇지 않다. 상대성이론은 당시로는 획기적인 생각이어서 인정받는데 많은 시간이 걸렸다. 그가 노벨상을 받은 업적은 광양자 가설이다.

‘빛은 입자일까 파동일까’라는 수천년을 이어온 빛의 본성에 대한 이 질문에 어느 쪽도 완승하지 못했다. 아인슈타인은 1905년 ‘물리학 연보’에 ‘빛의 창조와 변화에 관한 과학적 관점에 대하여’라는 입자론을 지지하는 논문을 제출했다. 그는 논문에서 빛이 광자(photon)로 불연속적으로 운동한다고 주장했다. 에너지가 흡수됐다가 방출될 때 입자로만 이뤄진다는 플랑크의 연구에 주목하던 아인슈타인은 가열된 물질의 에너지가 빛으로 바뀔 때 빛 에너지가 입자상태라고 가정해야 설명이 된다는 것을 알아냈다. 여기서 도입된 것이 빛 양자로 그의 논문이 ‘광양자 가설’로 불리는 이유다.

아인슈타인의 광양자 가설을 이용하면 금속표면에 적외선을 쪼이면 나오지 않는 전자가 자외선을 쪼이면 튀어나오는 광전효과를 설명할 수 있다. 파동이론에 따르면 적외선이든 자외선이든 빛을 쪼이면 입자가 튀어나와야 했다. 1922년 당시 학자들 사이에서 광양자 가설의 타당성에 대해서 회의적인 분위기에서도 아인슈타인은 노벨물리학상을 수상했다.

빛은 정확하게 보면 입자도 파동도 아닌 제3의 형태를 가진다. 다만 제3의 형태가 사람이 인식할 수 있는 형태가 아니기 때문에 우리는 입자나 파동이라는 형태로 바꿔서 생각하고 설명할 뿐이다.

아인슈타인의 말 중에서 “신은 우주를 가지고 주사위 놀이를 하지 않는다”는 유명한 말이 있다. 이 말은 우연성에 영향을 받아 확실한 것은 하나도 없다는 양자역학의 불완전성을 부정적으로 바라본 아인슈타인이 양자역학을 연구하는 과학자들에게 충고한 말이다. 그런데 이 말을 들은 보어는 오히려 “신이 왜 주사위놀이를 하는지를 생각해보라”고 충고했다. 결국 아인슈타인의 생각이 틀린 것으로 판명났다. 우리는 여기서 천재도 모든 것을 다 알거나 정확하지 않다는 단순한 진리를 얻는다. (글 : 박응서 과학칼럼니스트)

봄 기분이 완연한 주말, 짠돌 씨는 가족과 함께 N서울타워에 갔다. 아이들의 성화에 거금을 털어 전망대까지 올라갔다. ‘무슨 엘리베이터 한번 타는 값이 그리 비싸냐’고 투덜댔지만 막상 전망대에 오르니 한눈에 들어오는 서울 전경이 꽤 멋졌다. 이왕 올라왔으니 저녁까지 버텨서 본전을 뽑으리라 결심했다.

“막신아, 막희야, 이거 봐. 이쪽 방향으로 6600km를 가면 모스크바인가 봐. 신기하지?”
“모스크바가 뭐야?”
“모스크바는 러시아의 수도야. 넌 그것도 모르냐.”
“뭘, 모를 수도 있지. 6600km이면 가만있자…. 서울부터 부산까지 15배 거리네. 엄청 멀다, 그치?”
창문에 쓰인 각 도시의 이름을 보며 신나게 놀다보니 저녁노을이 지기 시작한다. 높은 곳이라 그런지 평소보다 노을이 지는 시간은 좀 늦다. 서쪽 하늘이 서서히 빨갛게 타 오르기 시작했다.

“와아~”
“아빠, 하늘이 빨개. (진지하게) 내 평생 이런 멋진 장면은 처음이야.”
다섯 살 밖에 안 된 녀석이 평생 타령은. 어쨌든 돈 들인 보람이 있군. 그러고 보니 여유롭게 저녁노을을 본 적이 참 오랜 만이다. 하지만… 여유롭게 저녁노을을 감상할 수 있을 턱이 없지.

“아빠, 근데 왜 파랗던 하늘이 빨개졌어?”
“맞아, 같은 하늘인데 왜 때에 따라 색이 달라져?”
“껄껄~. 그건 말이지. 햇빛이 변덕이 심해서 그래.”
“에이, 거짓말. 아빠 잘 모르니까 대충 무마하려는 거지?”
“정말이야. 사실 햇빛은 여러 색의 빛을 숨기고 있거든. 그러니까 변덕쟁이지.”
“정말?”
“좋아 간단한 실험 하나 해 볼까? 막희야 네가 먹던 우유 잠깐 줘봐. 여보 당신은 매장에서 투명한 컵 좀 얻어 와요.”

실험방법
1. 준비물 : 투명한 물 컵, 우유, 손전등
2. 물 컵에 물을 붓고 우유를 약간 탄다. 물 200ml에 우유 10ml 정도면 된다.
3. 물 컵을 흰 벽이 있는 어두운 곳으로 가져간다.
4. 손전등을 비춘다.
5. 우유 탄 물을 통과한 빛이 처음 빛보다 붉게 변했다.

“컵을 통과한 빛이 붉게 바뀌네.”
“정말! 비추는 전등도 흰빛이고, 우유도 하얀데…. 아빠, 왜 이렇게 바뀌는 거야?”
“아까 아빠가 햇빛이 변덕쟁이라고 했지? 조금 어렵긴 한데 햇빛은 여러 파장의 빛이 섞여 있어. 그래서 그걸 분리하면 무지개 색이 나오지.”
“빨주노초파남보?”
“맞아, 우리 막희 똑똑하구나. 빨간색 빛은 파장이 길고, 보라색 쪽으로 갈수록 파장이 짧아지지. 파장이 길고 짧은 건 가만있자…, 이걸 어떻게 설명해야 하나?”

“파동에서 느슨한 건 파장이 긴 거고, 촘촘한 건 파장이 짧은 거잖아.”
“저번에 아빠 휴대전화는 파장이 짧은 PCS 방식이라 터널에 들어가면 안 터지는데, 옆자리의 아저씨 휴대전화는 셀룰러폰 방식이라 터널에서도 잘 터진다고 아빠가 투덜거렸어.”
“헉! 너희들이 그걸 어떻게 다 아니?”
“우리 대충 아니까 계속 설명해 봐.”

“(이 녀석들이….) 막신이 말대로 빨간색 빛은 파장이 길어서 파란색보다 멀리까지 갈 수 있어. 파란색 빛은 멀리 못 가고. 햇빛은 지구의 대기권을 통과해서 우리에게 도달하겠지? 그럼 정오 때랑 해질 때 중에서 햇빛이 대기권을 길게 통과해야 하는 때는 언제겠니?”
“지구가 둥그렇고, 대기권이 얇게 덮고 있으니까…. 해가 질 때 햇빛이 대기권을 오래 통과해야 하겠네.”
“맞아. 해질 때 햇빛은 대기권을 오래 통과해야 해. 그러면서 햇빛 중에 파란색 빛은 도중에 다 없어지고, 멀리까지 갈 수 있는 빨간색 빛만 우리 눈에 들어오는 거야.”
“그렇구나. 그럼 도중에 없어진 파란색 빛은 어떻게 되는 거야?”
“파란색 빛은 먼지 같은 공기 중의 입자와 만나서 산란돼. 파장이 짧은 빛일수록 잘 산란되지. 평소 하늘이 푸른 이유는 바로 산란된 파란색 빛 때문이야.”

“아빠, 그럼 왜 유리컵에 우유를 넣었어?”
“아까 빛이 공기 중의 입자와 만나 산란된다고 했지? 우유는 아주 작은 알갱이로 구성돼 있거든. 그 알갱이가 공기 중의 입자와 같은 역할을 한 거지. 그래서 우유 섞은 물을 통과하면 무슨 색만 남는다?”
“붉은색!”

그러는 사이 노을이 완전히 지고 서울시의 야경이 멋지게 펼쳐졌다. 아뿔싸, 시간이 이렇게 흐르다니! 본전을 생각하면 더 있고 싶지만 이곳에서 더 버티다간 저녁밥까지 사줘야하는 사태가 벌어진다. 막희의 입에서 ‘배고파’ 소리가 나오기 전에 이곳을 떠야 한다. 벌써 아내 김 씨가 막희 포섭에 들어갔다!

“아빠, 초조해 하지 마. 집에 가서 밥 먹을 거야.”
“엄마가 고생스럽지만 어쩔 수 없지. 멋진 구경시켜줬으니 오늘은 엄마가 이해해.”
녀석들…. 대신 내려오는 길에 쥐포를 몇 개 사서 나눠 먹었다. 봄이라 그런지, 기분이 좋아 그런지 바람이 상쾌하다. 오늘처럼 하늘은 파랗고, 노을은 붉어야 제 맛이다. 아이들에게 하늘도, 노을도 회색이라고 가르칠 순 없지 않은가. (글 : 김정훈 과학칼럼니스트)