[1967 노벨화학상] 만프레드 아이겐, 로널드 노리시, 조지 포터 : 100만분의 1초, 찰나의 화학 반응을 포착하다

 

 

 

⚡️ "눈 깜짝할 새"보다 더 빠른 세계

 

우리가 성냥에 불을 붙이면 순식간에 '확' 하고 타오릅니다. 식초에 소다를 넣으면 거품이 '보글보글' 올라옵니다. 이 화학 반응들은 얼마나 빨리 일어날까요?

19세기 말부터 화학자들은 시계를 들고 반응 속도를 쟀습니다. "A 용액과 B 용액을 섞는다. 시작! 색깔이 변했다. 끝! 10초 걸렸군."

하지만 이것은 느린 반응에나 통하는 방법이었습니다. 산과 염기가 만나 물이 되는 중화 반응이나, 폭발 반응처럼 섞자마자 끝나버리는 '초고속 반응' 들은 잴 방법이 없었습니다.

당시 화학자들은 이렇게 결론 내렸습니다. "화학 반응 중에는 너무 빨라서 '측정 불가능(Immeasurable)' 한 것들이 있다. 그 찰나의 순간에 분자들이 춤을 추는지 악수를 하는지는 신만이 아실 것이다."

마치 총알이 날아가는 모습을 눈으로 볼 수 없듯이, 분자들의 빠른 움직임은 영원한 미지의 영역으로 남을 뻔했습니다.

하지만 1950년대, 이 '측정 불가능'의 벽을 깨부순 세 명의 과학자가 등장합니다. 그들은 섞는 시간을 없애거나, 카메라 플래시보다 수천 배 빠른 빛을 쏘는 기발한 방법으로 시간을 멈췄습니다.

오늘 소개할 1967년 노벨 화학상 수상자들은 화학자들에게 '시간의 현미경' 을 선물한 인물들입니다.

평형 상태를 살짝 건드려 반응을 유도한 독일의 천재 만프레드 아이겐(Manfred Eigen). 그리고 강력한 빛의 섬광으로 분자를 때려 반응을 찍어낸 영국의 스승과 제자, 로널드 노리시(Ronald G.W. Norrish) 와 조지 포터(George Porter).

100만분의 1초, 아니 10억분의 1초라는 찰나의 시간 속에 숨겨진 분자들의 은밀한 드라마를 포착한 그들의 이야기를 시작합니다.

 

📜 만프레드 아이겐 : 섞지 말고, 흔들어라!

 

독일의 물리화학자 만프레드 아이겐은 괴팅겐의 막스 플랑크 연구소에서 '너무 빠른 반응'을 연구하고 있었습니다.

가장 큰 문제는 '섞는 시간(Mixing time)' 이었습니다. 아무리 손이 빨라도 두 용액을 섞는 데는 최소 0.001초(1밀리초)가 걸립니다. 그런데 반응이 그보다 더 빨리 끝나버리면(예: 0.000001초), 우리가 측정하는 것은 반응 속도가 아니라 '내가 얼마나 빨리 섞었는지'를 재는 꼴이 됩니다.

아이겐은 발상을 완전히 뒤집었습니다.

"섞는 게 문제라면, 아예 섞지 말자. 이미 섞여서 반응이 끝난(평형 상태) 용액을 가지고 시작하자!"

그는 '이완법(Relaxation Method)' 이라는 천재적인 아이디어를 냅니다.

[ 아이겐의 실험 : 평형을 깨뜨려라 ]

1. 이미 반응이 끝나 평화로운(평형) 용액을 준비합니다.
2. 이 용액에 갑자기 '충격(Disturbance)' 을 줍니다. (전기 충격, 온도 높이기, 초음파 등)
3. 그러면 평형이 깨지고, 용액은 새로운 평형 상태를 찾아 이동합니다.
4. 이동하는 그 짧은 순간의 변화를 측정합니다.

예를 들어, 편안하게 누워 있는 스프링(평형)을 손으로 '탁' 치면(충격), 스프링이 '띠용~' 하고 흔들리다가 다시 멈춥니다(이완). 아이겐은 그 '띠용~' 하는 시간을 잰 것입니다.

그는 '온도 도약(Temperature Jump)' 장치를 만들어, 용액의 온도를 100만분의 1초 만에 올려버렸습니다. 그러자 산과 염기 반응처럼 측정 불가능하다던 초고속 반응들이 그래프 위에 선명하게 그려졌습니다. 인류 최초로 나노초(ns) 단위의 반응을 보게 된 것입니다.

 

📸 노리시 & 포터 : 빛으로 시간을 쪼개다, '섬광 광분해'

 

아이겐이 물리적 충격을 썼다면, 영국의 케임브리지 대학에서는 로널드 노리시 교수와 그의 제자 조지 포터가 '빛(Light)' 을 무기로 사용했습니다.

제2차 세계대전 당시 레이더와 탐조등을 연구했던 포터는, 전쟁이 끝난 후 아주 짧은 시간에 엄청나게 강한 빛을 내는 '섬광 램프(Flash Lamp)' 기술을 화학에 접목했습니다.

이것이 바로 '섬광 광분해(Flash Photolysis)' 법입니다. 원리는 고속 카메라와 비슷합니다.

[ 포터의 빛의 마술 ]

1. 펌프(Pump) 섬광: 아주 강력한 빛을 100만분의 1초 동안 '번쩍!' 하고 터뜨립니다. 이 빛 에너지를 받은 분자들은 깜짝 놀라 쪼개지거나(광분해) 들뜬 상태가 되어 반응을 시작합니다.
2. 프로브(Probe) 섬광: 반응이 시작된 직후, 아주 약한 빛을 연속으로 비추거나 시간차를 두고 비춥니다.
3. 이 빛이 용액을 통과하면서 변하는 색깔(스펙트럼)을 분석하면, 찰나의 순간에 어떤 물질이 생겨났다 사라지는지 알 수 있습니다.

 

🧪 유령을 보았다 : 자유 라디칼의 검거

 

노리시와 포터의 장치가 가동되자, 화학자들은 그동안 상상 속에서만 존재했던 '중간체(Intermediate)' 들을 눈으로 확인하게 되었습니다.

화학 반응은 A에서 B로 한 번에 변하는 게 아닙니다. A → (불안정한 물질 X) → (기이한 물질 Y) → B 이런 식으로 중간 단계를 거칩니다. 하지만 X나 Y는 수명이 너무 짧아서(1000분의 1초 이하) 그동안은 잡을 수가 없었습니다.

포터의 섬광이 터지자, 이 유령 같은 '자유 라디칼(Free Radical)' 들이 모습을 드러냈습니다. 염소(Cl₂) 가스에 빛을 쏘자, 염소 원자(Cl•)로 쪼개졌다가 다시 합쳐지는 과정이 스펙트럼에 찍혔습니다. 헤모글로빈이 산소를 잡았다 놓는 순간도 포착되었습니다.

"반응은 순간이동이 아니었다. 그것은 수많은 중간 과정들이 정교하게 이어달리기를 하는 릴레이 경주였다."

이 기술 덕분에 우리는 엔진 속에서 연료가 어떻게 폭발하는지, 식물이 햇빛을 받으면 엽록소에서 어떤 일이 벌어지는지(광합성)를 아주 느린 화면(Slow motion)처럼 볼 수 있게 되었습니다.

 

🏆 노벨상 : 시간의 지평을 넓히다

 

1967년, 스웨덴 왕립과학원은 이 세 사람에게 노벨 화학상을 수여합니다.

• 만프레드 아이겐: 이완법을 통한 고속 반응 연구. (1/2)
• 로널드 노리시 & 조지 포터: 섬광 광분해법을 통한 고속 반응 연구. (각 1/4)

노벨 위원회는 "이들은 화학자들이 꿈꾸던 시간의 장벽을 허물었다. 이제 우리는 화학 반응의 '결과'뿐만 아니라 '과정'을 볼 수 있게 되었다"고 찬사했습니다.

이들의 연구는 훗날 1999년 노벨 화학상 수상자인 아흐메드 즈웨일의 '펨토초(1000조분의 1초) 화학' 으로 이어지는 길을 닦았습니다.

 

📚 TMI : 예술가와 귀족

 

1. 아이겐의 피아노

만프레드 아이겐은 수준급의 피아니스트였습니다. 그는 모차르트를 특히 좋아했는데, "음악의 박자와 리듬이 화학 반응의 속도를 이해하는 데 영감을 준다"고 말했습니다. 그는 과학자이면서 동시에 예술적인 직관을 가진 천재였습니다.

2. 방송 스타 조지 포터

조지 포터는 대중과의 소통을 즐겼습니다. 그는 영국 BBC 방송에 자주 출연하여 대중 과학 강연을 했고, 영국 왕립연구소(Royal Institution) 소장을 맡아 아이들에게 과학의 재미를 알려주는 데 헌신했습니다. 그는 나중에 기사 작위와 남작 작위(Lord Porter of Luddenham)를 받아 귀족이 되었습니다.

3. 노리시의 고집

스승인 노리시는 제자인 포터와 함께 상을 받았지만, 사실 두 사람 사이는 연구 스타일 차이로 인해 묘한 긴장감이 있었다고 합니다. 노리시는 전통적이고 엄격했고, 포터는 새롭고 파격적인 장비를 좋아했습니다. 하지만 노벨상은 이 두 사람의 시너지가 만든 결과물임을 인정했습니다.

 

🌏 맺음말 : 찰나 속에 영원이 있다

 

아이겐, 노리시, 포터는 우리에게 "시간은 상대적이다" 라는 것을 화학적으로 보여주었습니다.

우리에게 1초는 눈 한번 깜빡일 짧은 시간이지만, 분자의 세계에서 1초는 수십억 번의 충돌과 결합이 일어나는 영겁의 세월입니다.

그들이 발명한 장치 덕분에 인류는 그 찰나의 시간 속으로 걸어 들어가, 분자들이 펼치는 격렬하고도 아름다운 춤사위를 감상할 수 있게 되었습니다. 오늘날 레이저 기술과 초고속 카메라의 발전은 모두 1960년대 번쩍이던 그 섬광에서 시작되었습니다.