[1986 노벨화학상] 더들리 허시바크·이원촨·존 폴라니 : 분자들의 충돌을 현미경으로 보다 — 반응 동역학의 새벽

두 분자가 만납니다.

충돌이 일어납니다. 그리고 — 반응이 일어날 수도 있고, 아닐 수도 있습니다.

이 단순해 보이는 사건 속에 엄청난 복잡성이 숨어 있습니다. 어떤 방향에서 충돌하는가? 얼마나 빠른 속도로 부딪히는가? 충돌 에너지는 어떻게 분배되는가? 반응이 일어난다면 생성물은 어떤 방향으로 튀어나가는가?

이것이 화학 반응 동역학(chemical reaction dynamics)의 핵심 질문들입니다. 1986년 노벨화학상은 이 질문들에 실험적으로 답한 세 사람에게 수여되었습니다. 더들리 R. 허시바크, 이원촨(Yuan T. Lee), 그리고 존 C. 폴라니.

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🏆 분자 충돌의 상세한 지도를 그리다 — 수상의 의미

 

 

 

"화학 기본 과정의 동역학에 기여한 공로를 인정하여"

 

 

1986년 노벨위원회의 수상 이유입니다. 세 수상자는 각각 독립적으로, 그러나 상호 보완적인 방식으로 화학 반응의 가장 근본적인 수준을 탐구했습니다.

허시바크와 이원촨은 교차 분자선(crossed molecular beams) 기법을 개발하고 완성했습니다. 이 기법은 두 줄기의 분자 빔을 서로 교차시켜 충돌을 일으키고, 반응 생성물이 어떤 방향으로, 어떤 에너지를 가지고 날아가는지를 정밀하게 측정합니다. 분자들 사이의 단 한 번의 충돌 결과를 직접 관찰하는 것입니다.

폴라니는 화학발광법(infrared chemiluminescence)을 이용하여, 반응에서 방출되는 빛의 스펙트럼을 분석함으로써 생성물 분자의 에너지 분포를 결정했습니다.

이 세 가지 기법의 결합으로, 화학 반응의 미시적 세계가 처음으로 직접적으로 탐구될 수 있었습니다.

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📜 더들리 R. 허시바크 — 교차 분자선의 선구자

 

더들리 로버트 허시바크는 1932년 6월 18일 미국 캘리포니아 주 새너제이(San Jose)에서 태어났습니다. 스탠퍼드 대학교에서 화학을 공부하고, 하버드 대학교에서 이론화학 박사 학위를 취득한 그는 화학의 이론과 실험을 동시에 구사할 수 있는 드문 능력을 가졌습니다.

UC 버클리에서 조교수로 시작한 허시바크는, 1963년 하버드 대학교로 옮겨 이후 수십 년간 이곳에서 교차 분자선 연구의 세계적 중심을 이끌었습니다.

 

교차 분자선 기법의 혁신

 

허시바크가 교차 분자선 기법의 초기 선구자 중 한 명이기는 했지만, 당시 기술적 한계 때문에 연구할 수 있는 반응의 종류가 매우 제한적이었습니다.

초기 교차 분자선 실험에서 허시바크는 알칼리 금속(K, Cs, Rb 등)과 할로겐 분자(Cl₂, Br₂, I₂ 등) 사이의 반응을 주로 연구했습니다. 이 반응들은 반응성이 매우 높고 생성물이 쉽게 검출되는 특성이 있어, 당시 기술로 연구하기에 적합했습니다.

그러나 더 중요하고 복잡한 반응들 — 예를 들어 수소 원자가 관여하는 반응 — 을 연구하려면 기술적인 혁신이 필요했습니다. 이때 이원촨이 결정적인 역할을 했습니다.

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⚗️ 이원촨 — 보편적 교차 분자선 장치를 완성하다

 

이원촨(李遠哲, Yuan Tseh Lee)은 1936년 11월 19일 대만 신주(新竹)에서 태어났습니다. 대만 국립대학교를 졸업하고, 1965년 UC 버클리에서 허시바크의 지도 아래 박사 학위를 취득했습니다.

이원촨은 박사 과정에서 교차 분자선 기법의 기술적 한계를 극복하는 데 핵심적인 기여를 했습니다.

 

보편적 교차 분자선 장치(universal crossed molecular beams apparatus)

 

허시바크의 초기 장치는 알칼리 금속 반응처럼 생성물을 쉽게 검출할 수 있는 경우에만 사용할 수 있었습니다. 이원촨은 이 장치를 근본적으로 개선하여, 거의 모든 종류의 화학 반응에 적용할 수 있는 보편적인 장치를 개발했습니다.

핵심 혁신은 회전 가능한 질량 분석기를 검출기로 사용한 것입니다. 질량 분석기는 모든 종류의 분자를 그 질량에 따라 구분하여 검출할 수 있습니다. 이것을 회전 가능하게 만들면, 생성물이 날아가는 모든 방향에서 어떤 종류의 생성물이 어떤 에너지로 방출되는지를 완전히 측정할 수 있습니다.

이원촨은 또한 분자 빔을 초음속으로 만드는 기술(supersonic nozzle beam source)을 개선하여, 분자들의 속도와 방향을 더욱 정밀하게 제어할 수 있게 했습니다.

이 개선된 장치로 이원촨은 F + H₂ → HF + H 반응을 포함한 다양한 반응들의 상세한 반응 동역학 정보를 처음으로 얻었습니다. 이 결과들은 이론화학자들이 예측한 반응 경로와 비교하는 데 중요한 기준이 되었습니다.

이원촨은 1986년 노벨상 수상 후 대만으로 돌아가 중앙연구원 원장을 역임하며 대만 과학 발전에 크게 기여했습니다.

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🔬 존 폴라니 — 빛으로 에너지 분포를 읽다

 

존 찰스 폴라니는 1929년 1월 23일 독일 베를린에서 태어났습니다. 그의 아버지 마이클 폴라니(Michael Polanyi)는 저명한 물리화학자이자 철학자였습니다. 과학과 인문학 사이를 자유롭게 넘나들던 아버지의 영향은 존 폴라니에게도 깊이 새겨져 있습니다.

제2차 세계대전 이후 영국으로 이주한 폴라니는 맨체스터 대학교에서 화학을 공부하고, 캐나다로 건너가 토론토 대학교에서 오랫동안 연구와 강의를 이어갔습니다.

 

화학발광법 — 빛으로 에너지를 측정하다

 

폴라니의 주요 기법은 교차 분자선이 아닌 다른 접근 방식이었습니다. 그는 화학발광법(infrared chemiluminescence)을 이용했습니다.

화학 반응에서 생성된 분자들이 들뜬 상태에 있을 때, 그것들이 기저 상태로 떨어지면서 빛(적외선)을 방출합니다. 이 빛의 스펙트럼을 분석하면 생성물이 어떤 에너지 상태에 있는지, 즉 진동 에너지와 회전 에너지가 어떻게 분포되어 있는지를 알 수 있습니다.

폴라니는 이 기법을 이용하여 H + Cl₂ → HCl + Cl, F + H₂ → HF + H 등 여러 기본 화학 반응에서의 에너지 분포를 정밀하게 측정했습니다.

그의 핵심 발견 중 하나는 폴라니의 규칙(Polanyi's rules)입니다. 이것은 반응의 발열성(exothermicity)과 반응 경로의 특성에 따라 생성물의 에너지가 진동 에너지로 더 많이 분배되는지 아니면 병진 에너지로 더 많이 분배되는지를 예측하는 경험적 규칙입니다.

이 규칙들은 레이저 화학(laser chemistry)의 기초가 되었습니다. 특정 진동 모드에 에너지가 집중된 들뜬 분자를 생성하는 반응을 설계하는 것이 가능해졌고, 이것이 화학 레이저의 원리입니다.

 

포텐셜 에너지 표면 — 반응의 지형도

 

폴라니의 연구는 이론화학의 중요한 개념인 포텐셜 에너지 표면(Potential Energy Surface, PES)의 실험적 탐구와 깊이 연결됩니다.

반응이 진행될 때 분자계의 에너지가 어떻게 변화하는지를 다차원 공간에서 그린 것이 포텐셜 에너지 표면입니다. 반응의 경로, 활성화 에너지, 전이 상태의 특성이 모두 이 표면 위에서 기술됩니다. 교차 분자선과 화학발광법 실험에서 얻어지는 생성물의 각도 분포와 에너지 분포는, 이 포텐셜 에너지 표면의 모양에 대한 실험적 정보를 제공합니다.

이론 화학자들이 계산한 포텐셜 에너지 표면과 실험으로 측정된 결과를 비교함으로써, 이론과 실험이 서로를 검증하고 발전시켜 왔습니다.

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⚡ 레이저와 결합한 새로운 시대

 

세 수상자의 연구는 이후 레이저 기술과 결합하면서 더욱 강력한 도구로 발전했습니다.

레이저를 이용하면 분자를 특정 에너지 상태로 정밀하게 준비(preparation)하거나, 생성물 분자를 상태선택적으로 검출할 수 있습니다. 레이저와 교차 분자선을 결합한 기법들은 단일 분자 충돌의 완전한 양자역학적 상태를 측정하는 수준에 도달했습니다.

또한 폴라니의 레이저 화학 연구는 화학 레이저(chemical laser) 개발로 이어졌습니다. HF 레이저가 그 대표적인 예입니다.

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🌍 폴라니 — 과학과 평화의 목소리

 

존 폴라니는 과학자로서의 업적 외에도 강한 평화주의자이자 인권 운동가로 알려져 있습니다.

그의 아버지 마이클 폴라니의 영향을 받아, 그는 과학이 사회적 책임과 분리될 수 없다고 믿었습니다. 그는 핵무기 폐기 운동, 과학자들의 사회적 책임에 관한 국제 논의에 적극적으로 참여했습니다.

1986년 노벨상 수상 소식을 들었을 때, 폴라니는 취재진에게 이렇게 말했습니다.

 

 

"노벨상은 기쁜 일이지만, 더 중요한 것은 우리가 이 지식을 어떻게 사용하느냐입니다. 과학의 힘은 그것을 현명하게 사용할 때만 축복이 됩니다."

 

 

현재도 생존해 있는 폴라니는 토론토 대학교 명예교수로 활동하면서 과학과 인류의 미래에 대한 발언을 계속하고 있습니다.

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💡 세 사람의 유산 — 반응의 근본으로 내려가다

 

교차 분자선과 화학발광법으로 얻어진 실험 결과들은 이후 이론화학의 발전에 결정적인 기여를 했습니다.

이 분야의 이론적 발전을 이끈 루이기 파르카시, 다프나 헤르텔, 그리고 특히 화학 반응 동역학의 이론적 토대를 완성한 루돌프 마르쿠스(1992년 노벨화학상) 등의 연구가, 허시바크, 이원촨, 폴라니의 실험 결과와 긴밀하게 연결되어 있습니다.

분자들이 충돌하는 순간의 미시적 세계를 엿보는 것 — 이 탐구는 화학 반응의 가장 근본적인 이해를 가능하게 했고, 그 이해 위에서 레이저 화학, 단분자 반응, 냉각 분자 충돌 등 현대의 첨단 분야들이 성장하고 있습니다.