인류는 머지않아 나노와 함께 생활할 것이다
파인먼의 예측이 현실이 된 지금, 모든 시민에게 필요한 나노 가이드북

“바닥 세계에는 빈자리가 많다(There’s plenty of room at the bottom).” 물리학자 리처드 파인먼은 1959년 미국물리학회 연차 총회에서 이 같은 제목의 강연을 통해 나노 세계의 가능성을 이야기했다. 그로부터 60여 년이 지난 지금, 우리는 나노과학기술이 혁명적으로 변화시키는 세상을 생생하게 목도하고 있다. 유수의 글로벌 반도체 기업들이 나노미터 단위에서 제조 공정을 더욱 미세화한다는 뉴스가 매일같이 보도되는가 하면, 나노물질로 만든 신소재가 상용화된다는 소식도 종종 들린다. 머지않은 미래에 부작용 없는 나노로봇 항암제, 마음대로 접고 펴는 비닐 디스플레이 등이 개발되리라는 장밋빛 전망도 낯설지 않다.

이처럼 나노과학기술은 인류의 사회와 경제를 뒤바꾸고 있고, 그 중심에는 나노물질을 만들어내는 나노화학이 있다. 이 책은 나노의 역사, 나노입자 관찰, 나노물질 합성과 특성 등 나노화학 기초 이론부터 의료, 전자산업, 환경, 에너지 등 다양한 분야의 활용 사례까지 현대인이 꼭 알아야 할 나노화학의 핵심을 담았다. 시민의 교양으로서, 더 이상 전문가만의 영역일 수 없는 나노화학을 친절하게 소개하는 가장 정확한 가이드북이다.

뉴스를 비롯한 대중 매체에서는 나노과학과 나노기술, 나노화학의 업적을 연일 이야기한다. 폐비닐로 만드는 연료나 휘어지는 디스플레이, 세균과 바이러스를 제거하는 우수한 필터, 난치병의 해결과 백신에 모두 나노라는 개념이 사용되고 있다. 영화 속에서도 나노로봇과 나노슈트 등 상상 속에서만 존재하던 발명품들이 웬만큼 재현할 수 있을 듯한 현실적인 모습으로 등장한다. 가장 작은 화학 세계 속의 경이로움이 나노에 숨어 있다.
공상을 풀어내는 것이 아니라 실제 우리가 살아가는 시점에서 나노화학과 과학기술의 위치가 어디인지 가늠하기는 무척 어렵다. 하지만 화학 분야의 첨단 기술을 소개하는 책은 이제껏 없었으니, 이제 한 명의 화학자이자 나노화학 연구자로서 가장 최신의 화학 세계로 가는 첫걸음을 조심스레 안내하려 한다.
- 〈들어가며〉 중에서(7쪽)

능동 표적에서는 나노로봇의 겉을 단순히 보호하려고 두껍고 활성이 없는 분자로 감싸는 것을 넘어서, 정해진 암세포만 찾아 달라붙고 들어갈 수 있는 추적자를 함께 붙인다. 우리 몸의 간, 신장, 폐, 근육, 뼈, 신경 모두 세포로 이루어져 있으며 그 기능과 형태는 완전히 다르다. 마찬가지로 각 장기와 조직에 생겨나는 암도 기능과 형태가 다른데, 심지어 빠르게 증식하며 몸의 수리 작업을 회피하기 위해 더 많은 다양함과 독특함이 생겨야만 한다. 표적과 추적자라 해서 굉장히 복잡하고 신기한, 인간의 몸속에 넣어도 괜찮을까 걱정되는 새로운 분자가 아니다. 예를 들어 건강을 유지하기 위해 섭취하는, 임신부라면 더욱 권장되는 엽산은 유방암, 신장암, 자궁경부암, 직장암 등을 추적하는 데 쓸모가 있다. 나노로봇에 약 분자와 함께 간단히 엽산 몇 개를 붙여준다면, 또는 엽산을 화학적으로 붙여둔 약물을 싣고 흘려보낸다면 자동으로 관련 종양을 찾아 치료를 시작한다.
- 〈5장 나노로봇, 우리 몸을 치료하다〉 중에서(178쪽)

전기는 발전의 목적이지만, 목적을 떠나서 전기를 찾아볼 수 있는 간단한 현상이 몇 가지 있다. 고무풍선을 털옷이나 머리카락에 잔뜩 문지르면 어느새 풍선 표면에 전기가 모여 머리카락을 공중으로 들어 올린다. 흐르지 않고 머물러 있는 전기라는 뜻의 ‘정전기(static electricity)’, 또는 접촉이나 마찰로 표면에 정전기가 만들어지는 대전의 한 종류인 ‘마찰전기(frictional electricity)’다. (중략) 마찰전기를 이용해 전기를 발생하는 장치는 굳이 거대할 필요가 없다. 오히려 기존의 발전소처럼 거대한 장비를 이용해 접촉과 마찰을 일으키려면 매우 정밀하고 정교한 장치가 필요하며, 원하는 방식대로 정전기를 만들기 어려울 수도 있다. 아주 작고 간단한 마찰전기 발생 소자가 수없이 많이 병렬로 늘어선 형태가 유리하다. 작은 크기와 물질의 배열은 나노 크기의 물질이 배열되고 쌓인 형태에서 극대화된다. 가장 작은 발전소이자 전자의 현상을 사용하는 기술을 ‘나노 제너레이터(nanogenerator)’라 부른다.현상 자체는 간단하다. 마찰이 정전기를 만들고 우리는 정전기를 흘려보내 전기를 만든다. 무엇으로 얼마나 유용하게 사용할 수 있을지 발전 기술의 현 위치와 가능성, 전망을 알아보는 것이 나노 세계가 무엇을 바꾸고 있는지 느끼는 데 도움이 된다.
- 〈7장 환경을 지키고 에너지를 만드는 나노기술〉 중에서(258~261쪽)

더없이 작은 세계에서만 발휘되는 나노입자의 초능력
무지갯빛 금 입자, 강력한 자력의 산화 철 입자... 놀랍고 특별한 나노물질의 성질

나노화학은 여러 측면에서 특별하다. 오늘날 나노화학이 최첨단 과학으로 주목받는 이유는 나노미터 단위의 물질이 단지 작기 때문만은 아니다. 나노 세계를 관찰하고 연구한 과학자들은 나노물질이 마이크로미터 혹은 밀리미터 단위의 물질과는 다른 독특한 성질을 갖는다는 사실을 발견했다. 예컨대 일반적인 금은 우리 눈에 황색으로 보이지만 금 나노입자는 크기에 따라 빨간색, 초록색, 파란색, 보라색 등 다양한 색으로 나타난다. 산화 철 나노입자는 일반적인 상자성(자기장과 같은 방향으로 자력을 띠는 성질)보다 훨씬 강한 특성, 즉 초상자성을 갖는다. 마치 앨리스가 거울을 넘어 이상한 세계로 넘어가듯, 나노 경계를 넘은 물질에 놀라운 세계가 펼쳐지는 것이다. 이 같은 나노입자의 특성은 바로 나노화학이 첨단 소재를 만들고 기술을 혁신할 수 있는 근본적 힘이 된다.

나노화학은 화학의 마지막 경계에 놓여 있다는 점에서도 특별하다. 화학은 물질의 변화를 이해하고 조절하는 학문이다. 과학은 물질의 기본적 요소인 원소조차 전자, 양성자, 중성자 등의 입자들로 더 작게 자를 수 있음을 밝혔지만, 이는 화학의 연구 대상이 아니다. 즉, 나노화학은 화학이 화학으로 남을 수 있는 최후의 영역을 연구한다. 물리학과 화학의 경계에서, 화학이 도달할 수 있는 가장 작은 물질을 관찰하고 합성하는 나노화학은 화학이라는 학문의 본질까지 탐구한다는 점에서 더욱 흥미롭다.

마이크로 세계에 대해서는 왜 마이크로화학이라는 단어를 사용하는 것을 들어본 적이 없을까? 관찰과 분석, 활용에 모두 유리한 마이크로지만 나노와는 달리 특별함이 없었기 때문이다. 나노 세계는 그 자체로 특별하다. 황색의 반짝이는 금속인 금은 나노 세계에 들어서면 선명한 빨강, 파랑, 보라 등 다양한 색상으로 변화한다. 자석 근처에만 다가가도 달라붙던 철 가루도 나노 크기에서는 조금은 다른 초상자성(superparamagnetic)이라는 성질을 보이기 시작한다. 따끔하고 섬뜩한 주삿바늘도 나노 니들(nanoneedle)이라는 기술이 되면 통증 없이 피부에 붙여두는 것만으로 주사할 수 있다. 장신구로 사용되던 은은 이제 세균을 죽이는 약이 되고, 중독을 일으키던 카드뮴은 선명한 형광을 내는 광원이 된다. 주디 갈런드가 주연한 영화 〈오즈의 마법사〉에서 문을 열며 흑백에서 유채색으로 들어서는 장면이 나노 세계로 들어서는 화학의 순간을 설명한다 해도 과언이 아니다.
- 〈1장 나노 세계의 문을 열다〉 중에서(34~35쪽)

나노화학은 화학이 화학으로서 다다를 수 있는 마지막 영역일지도 모른다. 단 하나의 원자를 이해하고 활용하는 것도 충분한 의미가 있지만, 물질과 관계, 변화를 다룬다는 측면에서 화학이 아닌 양자역학이나 입자물리학의 가장 거대한 영역과 맞닿은 경계라 구분될 수도 있다. 물질에 대해 사색한다 해도 집이나 빌딩이 화학의 산물이라기보다는 재료과학과 건축학 등 다른 학문 분야의 결정체로 연상되는 것과 마찬가지로, 분자를 넘어선 개별 원자의 세계는 화학과 다른 분야의 경계인 셈이다. 나노 세계에서 일어나는 화학은 우리가 실험실에서 형형색색의 액체를 뒤섞고 가끔은 부글부글 끓어오르거나 펑 하고 터지는, 또는 연기가 솟구치거나 끓어 넘치는 고전적인 화학의 이미지와는 다를 것이다. 약간은 낯설고 조금은 어려운 이야기들이 튀어나올지도 모르지만, 화학의 가장 마지막 경계선에서 지금 일어나고 있는 일들을 알아가며 느끼는 것은 그 자체로도 매력적인 일이 아닐 수 없다.
- 〈1장 나노 세계의 문을 열다〉 중에서(36~37쪽)

지금까지 우리는 이런 화학책을 기다려왔다!
최고의 화학커뮤니케이터와 함께 떠나는 슬기로운 화학 여행

이 책을 집필한 광운대학교 화학과 장홍제 교수는 《ACS Nano》, 《Angewandte Chemie》 등 내로라하는 국제 학술지에 나노화학 논문 70여 편을 게재한 성실한 연구자이자 화학 대중화에 앞장서고 있는 최고의 화학커뮤니케이터이다. 그는 많은 사람이 어렵고 복잡하다고 생각하는 화학의 매력을 알리기 위해 교양서 집필, 대중 강연, 과학 콘텐츠 출연 등 다양한 활동을 펼쳐왔다. 최근에는 유튜브 채널 ‘화학하악’을 운영하며 콘텐츠 기획, 제작, 편집 등을 모두 담당하는 1인 크리에이터로서 과학에 관심 있는 이들과 긴밀하게 소통하고 있다. 위트 있고 명쾌한 콘텐츠로 입소문이 난 그의 채널에는 ‘화학이 이렇게 재미있는 줄 몰랐다’, ‘유튜브에서 접할 수 있는 최고의 화학 콘텐츠’ 등과 같은 구독자들의 소감이 가득하다. 그런 그가 이번에는 자신의 전공 분야인 나노화학을 통해 화학의 재미와 가치를 나누고자 한다. 흥미진진하고 유쾌한 안내에 따라 화학 탑의 꼭대기에서 나노화학의 전경을 구경하다 보면 어느새 난해하게만 느껴졌던 화학의 세계를 여행하고 싶은 마음이 샘솟을 것이다.

추천사

의료, 환경, 에너지 등 미래를 바꿀 과학의 최첨단에 나노화학이 있다. 현재와 미래의 세계를, 경제를, 사회를 이해하려는 시민들에게 나노화학이 더 이상 전문가만의 영역일 수 없는 이유다. 하지만 일반인이 알기엔 너무 난해하지 않냐고? 최고의 화학커뮤니케이터 장홍제 교수가 나노 세계를 친숙하게 소개하는 그 어려운 일을 해냈다. 깊이 있고 매혹적인 《나노화학》이야말로 ‘여러분의 시간을 낭비해드릴’ 책이 되리라 감히 단언한다.
- 항성(‘안될과학’ 과학커뮤니케이터)

들어가며
주기율표

1장 나노 세계의 문을 열다
관찰할 수 없던 시대의 화학 | 전기분해로 원소를 발견하다 | 경계를 넘어 이상한 세계로 | 보이지 않는 물질을 어떻게 사용했을까

2장 전자로 나노입자를 들여다보다
원자란 무엇인가 | 나노 세계로 전자를 쏘다 | 나노입자를 보는 눈, 전자현미경

3장 나노물질을 만드는 법
조각 같은 톱다운, 빚기 같은 보텀업 | 생각보다 간단하지만 값비싼 나노물질 합성 | 나노입자를 요리하다: 가열과 냉각 | 나노물질을 건축하다: 층별 증착

4장 주기율표가 알려주는 나노물질의 특성
화학 최고의 발명품, 주기율표 | 금은동 나노입자의 독특한 색상 | 나노입자만큼 작은 반도체 | 가장 작은 자석과 신기한 변환기

5장 나노로봇, 우리 몸을 치료하다
소소익선, 다다익선 | 혈관을 떠돌며 표적을 추적하다 | 나노화학을 이용한 치료와 진단

6장 나노 판화와 디스플레이가 펼치는 이미지
나노 세계의 청사진과 판화 | LED, 전기를 빛으로 | 2차원 나노물질과 접히는 화면들

7장 환경을 지키고 에너지를 만드는 나노기술
모으고 분리하고 분해하기 | 나노화학이 전기를 만들다 | 환경 파괴에 맞서는 새로운 방법

8장 나노물질로 화학 반응을 지배하다
촉매, 효소, 나노물질 | 나노 촉매: 화학 반응을 빠르게 또는 느리게 | 나노자임과 생명의 미래

주