나노기술: 원자 규모에서 펼치는 공학

1959년 12월 29일 저녁, 패서디나에 있는 칼텍에서 열린 미국물리학회 연례 만찬에서 리처드 파인먼은 연단에 서서 물리학자들로 가득 찬 방을 향해 아래쪽에는 여유 공간이 충분하다고 말했다. 그가 말한 아래쪽이란 크기 척도의 맨 밑바닥, 곧 원자와 분자의 영역이었고, 그는 만찬 후 강연 내내 물리 법칙 어디에도 기계와 도구, 그리고 글자를 아주 작게 만드는 것을 금지하는 조항은 없으며, 그렇게 하면 브리태니커 백과사전 전체를 핀 머리 위에 담을 수 있다고 주장했다. 이 말에 무게를 실으려고 그는 각각 천 달러짜리 상금 두 개를 내걸었는데, 하나는 64분의 1인치보다 작은 작동하는 전기 모터를 처음 만드는 사람을 위한 것이었고, 다른 하나는 한 페이지 분량의 글을 2만 5천 배 축소해 쓸 수 있는 사람을 위한 것이었다. 모터 상금은 일 년이 채 지나기 전에 평범한 도구와 끈기로 그것을 해낸 한 엔지니어가 차지했다. 축소된 페이지 쪽은 더 오래 걸렸다.

*아래쪽에는 여유 공간이 충분하다(There's Plenty of Room at the Bottom)*라는 제목의 그 강연은 그 후로도 10년 동안은 속할 분야조차 없었는데, "나노기술"이라는 단어가 아직 만들어지지 않았기 때문이다. 하지만 이 강연은 이 분야의 창립 문헌으로 정당하게 기억되고 있으며, 흠잡을 데 없는 자격을 갖춘 누군가가 아주 작은 것은 단지 더 작은 것이 아니라 다른 것이며, 그 다름은 좇을 가치가 있다고 소리 내어 말한 순간이었다. 이 글은 파인먼을 진지하게 받아들여 실제로 그 규모에서 무언가를 만들 때 어떤 일이 일어나는지, 그리고 물질을 충분히 작게 잘라냈을 때 왜 자기 자신의 축소판처럼 행동하기를 멈추고 정말로 새로운 무언가처럼 행동하기 시작하는지에 관한 것이다.

1나노미터와 100나노미터 사이의 창

1나노미터는 1미터의 10억분의 1로, 원자 서너 개를 일렬로 늘어놓은 너비쯤이다. 나노물질은 적어도 한 차원이 대략 1나노미터에서 100나노미터 사이에 들어가는 모든 구조로 정의된다. 여기서 "적어도 한 차원"이라는 부분이 중요한데, 이는 한 장의 시트가 나머지 두 방향으로는 현미경 슬라이드 전체에 펼쳐져 있더라도, 두께가 원자 한두 개 정도에 불과하기만 하면 나노물질이 될 수 있다는 뜻이기 때문이다.

이 창을 특별하게 만드는 것은 일상적인 덩어리 물질에서는 모두 무시할 만한 두 가지 물리적 효과가 여기서는 결정적인 역할을 하게 된다는 점이다. 첫 번째는 기하학적인 것이다. 물체를 줄이면 내부에 묻혀 있는 원자가 아니라 표면에 자리한 원자의 비율이 가파르게 올라가, 부피 대비 표면의 비율이 극적으로 커진다. 조약돌은 거의 모든 원자가 안전하게 안쪽에 갇혀 있지만, 같은 물질의 나노입자는 원자의 상당 부분이 표면에 노출되어 있을 수 있고, 그곳의 원자는 화학적으로 훨씬 더 반응성이 높다. 두 번째 효과는 양자역학적인 것이다. 고체 내부의 전자는 구슬처럼 이리저리 굴러다니는 점 입자가 아니라, 고유한 파장을 지닌 파동처럼 행동한다. 전자를 가두는 구조가 그 자연 파장보다 작아지면, 전자는 더 이상 덩어리 물질의 자유로운 구성원으로 다룰 수 없게 된다. 허용되는 에너지가 압축되고 양자화되는데, 이 현상을 양자가둠이라고 부른다. 1나노미터에서 100나노미터에 이르는 이 창은 바로 이 두 효과, 곧 표면 지배와 양자가둠이 물질의 광학적, 전기적, 화학적 성격을 다시 쓰기 시작하는 영역이다.

탄소와 결정에서 깎아낸 네 가지 형태

현대 나노 분야는 편리하게도 네 가지 표준 구조를 중심으로 정리되며, 이들을 헷갈리지 않고 구분하는 깔끔한 방법은 그 차원 중 몇 개가 나노 규모로 가둬져 있는지를 세는 것이다. 풀러렌은 세 방향 모두로 가둬진 작은 우리 같은 구조라서 "자유로운" 차원이 0개다. 탄소나노튜브는 두 방향으로는 가둬져 있지만 축을 따라서는 아주 긴 길이로 뻗어 나갈 수 있어, 사실상 1차원이다. 그래핀은 한 장의 평평한 시트로, 두께 방향으로만 가둬져 있고 자유로운 차원이 둘 남는다. 양자점은 풀러렌처럼 세 방향 모두로 가둬진 점이라서 0차원이다. 이 넷 중 셋은 전부 탄소로 만들어지는데, 이는 우연이 아니다. 탄소가 평평한 육각형 배열로 자기 자신과 결합하려는 성향은 다른 어떤 원소도 따라올 수 없는 다재다능함을 안겨준다. 네 번째인 양자점은 반도체 결정의 세계에서 온다. 이들은 함께 나노과학의 실용적 어휘를 이루며, 각각은 저마다의 발견 이야기를 안고 등장했다.

축구공과 둘둘 말린 시트

1985년 9월, 휴스턴의 라이스 대학교에서 해럴드 크로토, 리처드 스몰리, 로버트 컬은 레이저로 흑연을 기화시키며 그 연기 기둥에서 응축되어 나오는 탄소 덩어리를 연구하고 있었다. 정확히 60개의 탄소 원자로 이루어진 한 덩어리가 의심스러울 만큼 안정적으로 계속 나타났다. 그들이 이를 설명하기 위해 제안한 구조는 12개의 오각형과 20개의 육각형으로 이루어진 닫힌 우리, 곧 축구공 모양이었고, 기하학적으로는 깎은 정이십면체였다. 그들은 이 분자가 닮은 측지선 돔의 건축가 버크민스터 풀러의 이름을 따 버크민스터풀러렌이라고 명명했다. 다이아몬드와 흑연에 더해진 순수 탄소의 이 세 번째 안정한 형태를 발견한 공로로 세 사람은 1996년 노벨 화학상을 받았다.

풀러렌으로부터 6년 뒤인 1991년, 일본 쓰쿠바의 NEC 기초연구소에서 이지마 스미오는 전기 아크 방전이 남긴 그을음을 투과전자현미경으로 살펴보고 있었다. 그 그을음 사이로 그는 바늘들을 발견했는데, 탄소 시트가 관 모양으로 둘둘 말린 듯한, 나무의 나이테처럼 하나가 다른 하나 안에 겹겹이 들어 있는 속이 빈 원통이었다. 그는 이 다중벽 탄소나노튜브를 1991년 11월 7일 *네이처(Nature)*에 발표했고, 단일벽 형태는 1993년에 뒤따랐다. 탄소나노튜브는 본질적으로 그래핀 한 장을 이음매 없는 원통으로 감은 것이며, 그 결과는 측정된 인장 강도가 60기가파스칼을 넘어 최고급 강철을 한참 능가하는, 알려진 가장 강한 물질 중 하나다. 다이아몬드를 단단하게 만드는 바로 그 탄소-탄소 결합이, 길이 방향으로 잡아당겨질 때 나노튜브를 거의 끊을 수 없게 만든다.

원자 한 개 두께, 테이프로 떼어낸 것

나노튜브가 둘둘 말려 나오는 그 시트는 그 나름의 유명한 역사를 지니고 있는데, 놀랍도록 저기술적인 이야기다. 수십 년 동안 물리학자들은 원자 한 개 두께의 진정한 2차원 결정은 열역학적으로 불안정해서 자립하는 물체로는 그저 존재할 수 없으리라고 여겼다. 2004년, 맨체스터 대학교의 안드레 가임과 콘스탄틴 노보셀로프는 농담처럼 들릴 만큼 단순한 방법으로 그렇지 않음을 증명했다. 그들은 평범한 접착테이프를 흑연 덩어리에 눌러 붙였다가 얇은 조각을 묻힌 채 떼어내고, 그 테이프를 자기 자신에게 접었다가 다시 떼어냈으며, 테이프에 남은 잔여물이 곳에 따라 탄소 원자 한 층이 될 때까지 이 쪼개기를 반복했다. 가장 얇은 조각들을 산화된 실리콘 웨이퍼로 옮기자 그 단일층을 찾아 연구할 수 있었다. 이것이 그래핀, 곧 탄소 원자 한 개 두께의 평평한 벌집 구조이며, 알고 보니 비범한 물질이었다. 유난히 강하고, 열과 전기의 뛰어난 전도체이며, 거의 투명하다. 그들의 논문 *원자 두께 탄소 막에서의 전기장 효과(Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films)*는 2004년 10월 22일 *사이언스(Science)*에 실렸고, 두 사람은 2010년 노벨 물리학상을 공동 수상했다. 그 교훈은 겸허하면서도 동시에 짜릿했다. 노벨상감 물질이 지금껏 그어진 모든 연필 자국 속에 숨어, 누군가 충분히 얇게 떼어내 주기를 기다리고 있었던 것이다.

크기만으로 조절할 수 있는 색

양자점은 양자가둠이 가장 생생하게 자신을 뽐내는 곳인데, 눈으로 직접 볼 수 있기 때문이다. 양자점은 그 가둠이 띠틈, 곧 전자가 빛을 흡수하거나 방출하기 위해 뛰어넘어야 하는 에너지 계단을 이동시킬 만큼 충분히 작은 반도체 나노결정이다. 결정을 조금 더 작게 만들면 그 틈이 더 넓어져 방출되는 빛이 스펙트럼의 파란 쪽으로 밀려나고, 조금 더 크게 키우면 틈이 좁아져 색이 붉은 쪽으로 미끄러진다. 그 놀라운 결과는, 화학적 조성이 똑같은 두 점이 오로지 크기 때문에 서로 다른 색으로 빛날 수 있다는 것인데, 이는 어떤 덩어리 물질도 갖지 못하는 성질이다. 덩어리 형태의 셀레늄화 카드뮴 한 병은 그저 어두운 가루일 뿐이지만, 나노결정 형태가 되면 같은 화합물이 무지개 전체에 걸쳐 형광을 낼 수 있다.

발견은 단계적으로 이루어졌다. 알렉세이 에키모프는 1981년 소련에서 연구하던 중 유리에 박힌 염화 구리 결정에서 크기 의존 효과를 관찰했다. 벨 연구소의 루이스 브루스는 1983년 액체 속을 떠다니는 황화 카드뮴 입자에서 같은 물리 현상을 입증하며, 이것이 유리에서만 나타나는 특이 현상이 아님을 증명했다. 그리고 무운지 바웬디는 1993년에 마침내 쓸 만큼 균일한 점 무더기를, 곧 모두 거의 같은 크기를 가진 단분산 결정을 만들어내는 합성법을 개발했다. 세 사람은 2023년 노벨 화학상을 공동 수상했는데, 이런 이야기 중 어떤 것은 무르익는 데 40년이 걸리기도 한다는 점을 일깨운다. 양자점은 이제 가장 선명한 텔레비전 디스플레이를 밝히고, 생물학적 영상에서 개별 분자에 표지를 붙인다.

거의 전부가 표면이라는 것이 왜 모든 것을 바꾸는가

나노물질을 단지 평범한 물질을 작게 뭉친 덩어리쯤으로 여기는 것은 잘못일 것이다. 부피 대비 표면 비율이 높다는 것은 그 원자의 상당 부분이 표면에 산다는 뜻이고, 표면 원자는 안절부절못한다. 채워지지 않은 결합을 갖고 있고, 촉매 작용을 하며, 화학적으로 반응성이 높고, 내부에서는 볼 수 없는 방식으로 광학적으로도 두드러질 때가 많다. 이 기하학적 보너스는 수십 가지 제품 속에서 조용히 작동하고 있다. 자외선 차단제에 들어가는 이산화 타이타늄 나노입자는 흰 자국을 남기는 대신 투명한 상태를 유지하면서 자외선을 산란시키고 흡수한다. 반응성 표면이 매우 넓은 은 나노입자는 이온을 방출해 강력한 항균 코팅이 된다. 자동차 촉매 변환기의 벌집 구조 위에 펼쳐진 백금 나노입자는 작고 값비싼 금속 질량으로부터 엄청난 촉매 면적을 노출시켜, 통짜 백금 덩어리가 결코 할 수 없었던 만큼 훨씬 효율적으로 배기가스를 전환한다.

같은 논리가 가장 중대한 응용 분야 중 하나인 나노의학을 떠받친다. 나노의학은 지질 나노입자, 고분자 미셀, 금 나노껍질 같은 나노 규모의 운반체를 사용해, 통째로 삼키는 덩어리 알약보다 더 선택적으로 약물을 전달한다. 혈류에 녹아 든 약물은 어디로든 가지만, 나노입자 안에 포장된 약물은 방향을 잡고, 보호받으며, 필요한 곳에서 방출될 수 있다. 지금까지 이 발상이 임상에서 가장 크게 활용된 사례는 화이자-바이오엔텍과 모더나의 mRNA 코로나19 백신으로, 둘 다 2020년 12월에 승인되었으며, 여기서는 깨지기 쉬운 전령 RNA 가닥이 그것을 보호하고 세포 안으로 실어 나르는 지질 나노입자에 감싸여 있다. 수십억 회분이 접종된 지금, 나노의학은 파인먼이 좀처럼 상상하기 어려웠을 규모에서 시험을 거쳤다.

우리가 아직 측정하는 법을 배우고 있는 위험

이 모든 것에는 진지하게 짚어야 할 면이 있다. 나노물질은 이제 연간 수천 톤 규모로 산업적으로 생산되고 있는데, 독성학과 규제 체계는 화학의 발전 속도를 따라잡지 못하고 뒤처져 있다. 나노입자를 유용하게 만드는 바로 그 반응성이 생물학적으로는 공격적으로 작용할 수도 있으며, 더 큰 알갱이라면 막혔을 막을 통과해 세포 안으로 미끄러져 들어갈 만큼 작은 입자는 신중한 연구를 요구한다. 줄곧 제기되는 예방 차원의 우려는 석면 유비다. 석면이든 종횡비가 높은 특정 나노튜브든, 길고 가늘고 질긴 섬유는 폐 조직에 박혀 제거에 저항할 수 있는데, 이 유사성은 연구자들이 일부러 그것을 검사할 만큼 진지하게 받아들여진다. 규제 당국도 따라잡아 왔다. 유럽연합은 2011년 규제 목적의 나노물질을 정의하는 위원회 권고를 발표했고, 미국 식품의약국은 2014년부터 나노기술 지침을 펴내고 있다. 솔직한 입장은, 우리가 규칙을 쓰는 일과 나란히 거대한 실험을 진행하고 있다는 것이며, 장기적 영향에 대한 지적 겸손이 마땅하다는 것이다.

핵심 정리

나노물질은 적어도 한 차원이 대략 1나노미터에서 100나노미터 사이에 들어가는 모든 구조이며, 이 창에서는 덩어리 물질에서는 사라지는 두 효과가 주도권을 잡는다. 하나는 부피 대비 표면 비율의 가파른 상승으로, 이는 원자의 상당 부분을 반응성 높은 표면에 놓이게 한다. 다른 하나는 양자가둠으로, 구조가 전자의 자연 파장보다 작아지면 전자 에너지를 양자화한다. 1959년 12월 리처드 파인먼의 강연 *아래쪽에는 여유 공간이 충분하다(There's Plenty of Room at the Bottom)*가 이 분야를 열었고, 각각 0, 1, 2, 0개의 가둬진 차원에 대응하는 네 가지 표준 구조가 이 분야를 떠받친다. 풀러렌 C60(크로토, 스몰리, 컬, 1985년, 노벨 1996년), 탄소나노튜브(이지마, 1991년, 인장 강도 60기가파스칼 이상), 그래핀(가임과 노보셀로프, 2004년, 접착테이프로 분리, 노벨 2010년), 그리고 색이 오직 크기에 좌우되는 양자점(에키모프, 브루스, 바웬디, 1981년부터 1993년까지의 연구, 노벨 2023년)이 그것이다. 이 원리들은 이산화 타이타늄 자외선 차단제와 백금 촉매 변환기에서부터 2020년의 지질 나노입자 mRNA 백신에 이르기까지 실제 기술을 뒷받침하며, 그러는 동안에도 독성학과 규제는 석면 유비를 길잡이로 삼아, 이미 수천 톤 규모로 제조되고 있는 화학을 따라잡으려 분주하다.