[1996 노벨화학상] 로버트 컬, 해롤드 크로토, 리처드 스몰리 : 축구공 모양의 탄소, '풀러렌'의 발견

 

 

⚽️ "탄소로 만든 가장 아름다운 건축물"

 

탄소(Carbon)는 생명의 근원이자 우리 주변에서 가장 흔하게 볼 수 있는 원소입니다. 20세기 후반까지, 과학자들은 탄소가 자연계에서 딱 두 가지 형태로만 존재한다고 믿었습니다.

1. 다이아몬드: 탄소들이 3차원으로 단단하게 결합한 가장 투명하고 강한 물질.
2. 흑연(Graphite): 탄소들이 2차원 육각형 판으로 층층이 쌓인 가장 검고 무른 물질. (연필심)

"가장 단단하거나, 가장 무르거나." 이것이 탄소의 전부인 줄 알았습니다. 교과서에도 그렇게 쓰여 있었죠.

그런데 1985년, 미국 텍사스의 한 실험실에서 이 상식을 깨부수는 제3의 물질이 발견되었습니다. 그것은 다이아몬드도, 흑연도 아니었습니다. 탄소 원자 60개가 모여 완벽한 구형을 이룬, 마치 '축구공' 처럼 생긴 분자였습니다.

너무나 대칭적이고 아름다워서, 처음에는 "이런 게 실제로 존재할 리 없다"며 과학자들조차 의심했던 물질.

오늘 소개할 1996년 노벨 화학상 수상자들은 우주 먼지를 연구하다가 우연히 이 완벽한 공을 주워 올린 세 명의 탐험가들입니다.

영국의 낭만적인 천문학자 해롤드 크로토(Sir Harold W. Kroto). 레이저 기계를 직접 만든 미국의 실험가 리처드 스몰리(Richard E. Smalley). 그리고 두 사람 사이를 조율한 텍사스의 신사 로버트 컬(Robert F. Curl Jr.).

나노 기술(Nanotechnology)의 시대를 연 서막이자, 11일간의 짧고 강렬했던 실험이 만들어낸 '풀러렌(Fullerene)' 의 탄생 비화를 소개합니다.

 

📜 별에서 온 손님 : 크로토의 호기심

 

이야기의 시작은 엉뚱하게도 화학 실험실이 아닌 우주 공간이었습니다. 영국 서식스 대학의 해롤드 크로토는 우주 공간에 떠다니는 성간 분자를 연구하고 있었습니다. 그는 거대한 붉은 별(적색거성) 주변에서 '긴 탄소 사슬' 이 발견되는 것에 흥미를 느꼈습니다.

"지구에서는 탄소가 저런 긴 사슬을 잘 안 만드는데, 우주에서는 어떻게 만들어지는 거지? 혹시 별의 뜨거운 대기 속에서 탄소가 뭉친 걸까?"

그는 이 과정을 지구에서 재현해 보고 싶었습니다. 그러려면 탄소를 섭씨 수천 도로 가열해서 증기로 만들 수 있는 기계가 필요했습니다. 수소문 끝에 그는 미국 라이스 대학(Rice University)에 그런 기계가 있다는 사실을 알게 됩니다.

그 기계의 주인은 리처드 스몰리였습니다. 스몰리는 강력한 레이저로 금속을 증발시켜 원자 덩어리(Cluster)를 만드는 '레이저 기화 장치' 를 가지고 있었습니다.

크로토는 텍사스로 날아가 스몰리를 만났습니다. 그리고 친구인 로버트 컬 교수의 도움을 받아, 스몰리에게 "당신 기계로 금속 말고 탄소(흑연)를 한번 태워보자"고 제안합니다. 스몰리는 처음엔 내키지 않았지만, 끈질긴 설득 끝에 딱 일주일만 기계를 빌려주기로 합니다.

 

🧐 1985년 9월, 운명의 11일

 

1985년 9월 1일, 역사적인 실험이 시작되었습니다. 그들은 흑연 판에 강력한 레이저를 쏘아 탄소를 증발시킨 뒤, 헬륨 가스로 식히며 어떤 덩어리들이 만들어지는지 질량 분석기로 측정했습니다.

처음에는 크로토가 원했던 긴 탄소 사슬들이 보였습니다. 그런데 실험 조건을 조절하자, 그래프 위에 아주 이상한 봉우리 하나가 우뚝 솟아올랐습니다.

탄소 원자가 정확히 60개 모인 덩어리, 즉 'C₆₀' 이었습니다.

"이게 뭐지? 다른 덩어리들은 다 사라졌는데, 왜 유독 60개짜리만 이렇게 많이, 그리고 안정적으로 살아남았지?"

그 옆에는 C₇₀도 조금 있었지만, C₆₀이 압도적이었습니다. 이것은 C₆₀이 무언가 특별하고 완벽한 구조를 가지고 있다는 뜻이었습니다. 하지만 탄소 60개로 만들 수 있는 안정적인 모양이 도대체 뭘까요?

평면인 흑연 조각? 아니면 층층이 쌓인 모양? 모두 불안정해 보였습니다. 실험실은 혼란에 빠졌습니다. "도대체 어떻게 생겨 먹은 놈이야?"

 

⚡️ 유레카! : 벅민스터 풀러의 돔

 

스몰리는 며칠 밤낮을 고민했습니다. 종이와 테이프를 오려서 탄소들을 육각형으로 연결해 보았지만, 평평한 바닥만 만들어질 뿐 입체적인 덩어리는 되지 않았습니다.

그때 그는 1967년 몬트리올 엑스포에서 봤던 건축가 벅민스터 풀러(Buckminster Fuller) 의 건축물을 떠올렸습니다. 거대한 돔 모양의 건축물(지오데식 돔)이었는데, 육각형과 오각형을 섞어서 둥근 지붕을 만든 것이었죠.

"그래! 육각형만으로는 안 돼. 오각형을 섞어야 해! 축구공처럼!"

스몰리는 다시 종이를 오려 붙였습니다. 육각형 20개와 오각형 12개를 이어 붙이자, 정확히 60개의 꼭짓점을 가진 완벽한 '구(Sphere)' 가 만들어졌습니다.

• 꼭짓점마다 탄소 원자가 하나씩 있다. (총 60개)
• 모든 탄소가 손을 잡고(결합) 있어서, 끊어진 모서리가 없다. (완벽한 안정성)

그것은 자연계에 존재하는 가장 대칭적이고 아름다운 분자였습니다.

다음 날 아침, 스몰리는 동료들에게 이 종이 모형을 던지며 외쳤습니다.

"이거다! C₆₀은 축구공이다!"

그들은 이 새로운 물질의 이름을 건축가 벅민스터 풀러의 이름을 따서 '벅민스터풀러렌(Buckminsterfullerene)', 줄여서 '풀러렌' 혹은 '버키볼(Buckyball)' 이라고 지었습니다.

 

✍️ 나노의 문을 열다

 

1985년 11월, 과학 저널 《네이처》에 달랑 2쪽짜리 논문이 실렸습니다. "C₆₀: Buckminsterfullerene".

반응은 폭발적이었습니다. "탄소가 공 모양이라고? 말도 안 돼!"라며 믿지 않는 사람들도 많았습니다. 하지만 1990년, 물리학자들이 흑연 전극을 태워서 실제로 노란색의 풀러렌 가루를 대량으로 얻어내는 데 성공하자 의심은 찬사로 바뀌었습니다.

풀러렌의 발견은 단순히 새로운 분자 하나를 찾은 게 아니었습니다.

1. 탄소의 재발견: 흑연과 다이아몬드 외에 제3의 탄소 동소체가 있음을 알렸습니다.
2. 나노 기술의 시발점: 이후 '탄소 나노튜브(1991)' 와 '그래핀(2004)' 이 발견되는 결정적인 계기가 되었습니다. 풀러렌을 길게 늘이면 나노튜브가 되고, 펴면 그래핀이 되니까요.
3. 응용: 풀러렌 안에 약물을 넣거나, 금속을 넣어 초전도체를 만드는 등 꿈의 신소재 연구가 시작되었습니다.

 

🏆 노벨상 : 11년 만의 쾌거

 

1996년, 스웨덴 왕립과학원은 로버트 컬, 해롤드 크로토, 리처드 스몰리에게 노벨 화학상을 수여합니다. 발견 후 11년 만의 수상이었습니다.

노벨 위원회는 "이들의 발견은 화학뿐만 아니라 물리학, 천문학, 재료공학 등 과학 전반에 거대한 영향을 미쳤다"고 평가했습니다.

세 사람은 성격도, 국적도, 전문 분야도 달랐습니다.

• 크로토(영국): 우주를 꿈꾸는 낭만파. 아이디어 제공.
• 스몰리(미국): 기계를 다루는 행동파. 실험 주도 및 구조 해결.
• 컬(미국): 갈등을 중재하는 신사. 분광학 전문가.

이 기묘한 조합이 단 11일간의 집중적인 협업을 통해 20세기 후반 최고의 화학적 발견을 이뤄낸 것입니다.

 

📚 TMI : 노벨상 뒷이야기

 

1. 돔과 축구공

사실 스몰리는 처음에 오각형을 섞어야 한다는 것을 몰랐습니다. 그는 순수하게 육각형만으로 둥글게 말려고 끙끙대다가, 크로토가 "아이들 축구공을 봐"라고 힌트를 줬다는 설도 있고, 직접 벅민스터 풀러의 돔 사진을 보고 깨달았다는 설도 있습니다. 어쨌든 그날 밤 그는 종이와 스카치테이프로 밤을 새워 축구공을 만들었습니다.

2. 스몰리의 예언

스몰리는 노벨상 수상 후 나노 기술 전도사가 되었습니다. 그는 "탄소 나노 튜브가 우주 엘리베이터의 줄이 될 것"이라며 미래 기술을 열정적으로 강연했습니다. 안타깝게도 그는 2005년 백혈병으로 62세의 이른 나이에 세상을 떠났습니다.

3. 우주에도 진짜 있다

2010년, NASA의 스피처 우주 망원경이 실제로 6500광년 떨어진 우주 공간에서 풀러렌(C₆₀)의 스펙트럼을 발견했습니다. 1985년 크로토가 처음에 가졌던 "우주에 탄소 덩어리가 있을 거야"라는 가설이 25년 만에, 그리고 노벨상을 받은 후에도 한참 뒤에야 증명된 것입니다.

 

🌏 맺음말 : 작은 것이 아름답다

 

로버트 컬, 해롤드 크로토, 리처드 스몰리는 우리에게 "자연은 대칭을 사랑한다" 는 것을 보여주었습니다.

가장 흔한 탄소 검댕 속에, 가장 완벽한 기하학적 구조를 가진 축구공 분자가 숨어 있었습니다.

그들이 발견한 1나노미터 크기의 이 작은 공은, 인류를 '나노(Nano)' 라는 새로운 차원의 세계로 안내한 가이드이자 열쇠였습니다