[시리즈 연재] 5-3편 펨토초 분광학으로 화학반응 살펴보기!

드디어 1999년 노벨 화학상 "펨토초 분광학을 이용한 화학 반응의 전이 상태 연구"를 다루겠습니다.

<노벨상 공식 홈페이지>

오프닝 멘트는 노벨상 시상식 연로 대신하겠습니다.

우리 화학자들은 분자와 그 내재적 본질을 이해하고 싶어 하며, 분자들이 만났을 때 어떤 일이 일어날지 예측하고 싶어 합니다. 약하게 결합할까요, 아니면 격렬하게 반응하여 새로운 분자를 형성할까요? 무엇보다도 우리는 생명이라 불리는 복잡한 화학을 이해하고자 합니다. 지식의 혁명을 통해 오늘날 분자는 생물학과 의학부터 환경 과학, 기술에 이르기까지 모든 분야의 중심에 섰습니다.

화학의 핵심은 화학 반응, 즉 원자 간의 화학 결합이 끊어지고 형성되는 과정입니다. 그렇다면 화학 반응은 어떻게 일어날까요? 우리는 반응이 서로 다른 속도로 진행될 수 있다는 것을 압니다. 못이 녹스는 데 걸리는 시간과 다이너마이트 폭발을 비교해 보십시오! 알프레드 노벨은 반응 속도의 중요성을 알고 있었습니다. 다이너마이트가 너무 빨리 반응하면 대포에 쓸 수 없고 터져버릴 것이기 때문입니다. 그는 온도가 높을수록 화학 반응이 더 빠르게 진행된다는 것도 알았지만, 그 이유는 알지 못했습니다. 그러나 이는 웁살라의 물리화학 강사(docent) 스반테 아레니우스에 의해 밝혀졌습니다. 네덜란드 과학자 야코부스 반트 호프(1901년 제1회 노벨 화학상 수상자)에게 영감을 받은 아레니우스는 반응 속도에 대한 최초의 이론과, 100년이 넘게 사용되고 있는 온도 의존성 방정식을 제시했습니다. 아레니우스 자신도 다른 업적으로 세 번째 노벨 화학상(1903년)을 받았습니다. - Nobel Prize in Chemistry 1999 Award Ceremony Speech

제가 1-1편에서 말씀드렸던 내용과도 연결됩니다.

기본적으로 화학(Chemistry, 化學)은 한자에서 알 수 있다시피 ‘변화’를 공부하는 학문입니다. 영어로 Chemistry인데 연금술(alchemy)에서 유래했다고 알려져 있습니다. 연금술도 값싼 물질들로 ‘금’을 만드는 기술이라는 관점에서 결국 변화를 위한 기술로 이해할 수 있습니다. 그러면 필연적으로 물질에 대한 정확한 이해가 요구됩니다. 예를 들어, 누가 연금술로 금을 만들었다고 주장하려면 ‘금’의 특성이 무엇인지 그리고 그 특성을 확인하는 방법이 무엇인지 모르면 이게 금인지 은인지 알 수 없습니다. 소위 이게 짭인지 찐인지 알 수 있어야 합니다. 그래서 물질의 특성을 파악하는 것은 화학의 중요한 주제입니다. 즉, 화학은 변화를 공부하는 학문이고, 이를 위해서는 변화하기 전과 후의 물질의 특성을 이해하고 파악할 수 있어야 합니다.

위에서 보시다시피 화학반응이라는 단어를 들으시면 서로 다른 물질을 섞었을 때 새로운 물질이 생기는 모습을 떠올리실 수 있을 겁니다. 물질이 어떤 조건에서 다른 물질로 변하거나 혹은 다른 물질과 섞어서 새로운 물질로 변하면 그것이 바로 화학 반응입니다. 쉽게 접할 수 있는 화학반응 중 하나는 사과의 갈변현상입니다. 깎아 둔 사과가 공기 중에 산소와 ‘화학반응’하여 색깔이 변한 것이죠. 이 반응은 눈에서 200 펨토초만에 일어나는 반응과 비교했을 때, 매우 느리다는 것을 쉽게 받아들이실 수 있을 것입니다. 사과를 깎자마자 바로 갈변하진 않으니깐요! 더 느린 화학반응은 녹이 스는 것을 예시로 들 수 있겠습니다. 이처럼 화학반응은 반응 종류에 따라 각각 다른 속도를 가집니다.- 시리즈 1-1편

그렇게 화학자들은 나노초 수준까지 반응속도를 관측 했었고 이를 다룬 것이 바로 시리즈 1편의 스토리였습니다. 하지만 당시에는 빠른 펄스 레이저 기술이 없었고 그것이 더 빠른 반응속도를 관측하는데 병목중 하나였습니다. 그 병목을 해소한 펨토초 레이저가 어떤 배경에서 등장했는지 설명하기 위해, 저는 앞선 글에서 광펌핑·레이저 기술·분광학 기술을 노벨상과 연결해 소개했습니다. 그러면 즈웨일은 얼마나 빠른 수준으로 무엇을 어떻게 측정했기에 노벨상을 받았을까요?!

과학은 ...