만물 해석의 열쇠, 올해는 ‘결정학’의 해로 결정!
만물 해석의 열쇠, 올해는 ‘결정학’의 해로 결정!
  • 윤나영 기자
  • 승인 2014.03.24 17:57
  • 호수 1558
  • 댓글 0
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올해는 유네스코가 지정한 ‘세계 결정학의 해’다. 막스 폰 라우에가 X선으로 결정의 회절 무늬를 발견해 노벨상을 수상한지 100년, 케플러가 물 결정의 육각 대칭성을 발견한 지 400년이 된 매우 기념적인 해기 때문이다. 그러나 일반인들에게 ‘결정학’은 매우 생소하다. 국내 결정학 연구가 상당히 활발하게 이뤄지고 있으나 지금까지 대중적으로 이를 알리려는 노력은 부족했다. 기사를 통해 결정학이 과연 무슨 학문인지, 현재 어떤 연구가 이뤄지고 있는지 알아보자.

▲ 결정은 원자나 이온들이 규칙적으로 배열된 고체 상태의 물질이다. ⓒwidimedia.org

‘결정학’은 X선으로 결정의 원자 배열을 분석하고 연구하는 학문이다. 모든 물질은 핵과 전자로 구성된 원자로 이뤄진다. X선을 원자에 통과시키면 99%는 투과하고 나머지 1%는 전자와 충돌해 *회절이 일어난다. 한 원자의 회절 무늬는 분석하기엔 그 세기가 너무 약하다. 그러나 원자들이 모여 규칙적으로 배열된 결정은 X선을 비추면 회절 무늬가 훨씬 증폭돼 나타난다. 이 현상은 독일의 물리학자 막스 폰 라우에에 의해 처음으로 발견됐다. 이후 브래그 부자(父子)는 회절 무늬를 수학적으로 계산해 결정 구조를 파악하는 ‘브래그 법칙’을 발견했다. 또한 컴퓨터의 발달로 결정 구조를 계산하는 속도가 급격히 빨라져 현대 결정학은 비약적으로 발전하게 됐다.

▲ 결정에 X선을 비추자 회절무늬가 생성됐다. ⓒhylobatidae.tumbir.com

X선이 결정학에 미치는 절대적 영향력
결정학과 X선은 필수불가결한 관계다. 빛은 파장의 길이에 따라 △가시광선 △자외선 △적외선 △X선 등 그 종류가 결정된다. 물질을 보기 위해선 빛의 파장 길이를 고려해야 한다. 사람이 물질을 볼 때 사용하는 가시광선의 파장은 400nm(나노미터, 1nm=10-9m) 정도다. 파장이 400nm 이하인 물질은 눈으로 볼 수 없다. 아무리 좋은 광학현미경으로 봐도 사람의 눈은 1μm(마이크로미터, 1μm=10-6m) 이하는 인식하지 못한다. 마찬가지로 결정의 원자 간 거리는 약 1.3~1.5Å(옹스트롬, 1Å=10-10m)으로 파장 길이가 그와 비슷한 X선을 사용해야만 볼 수 있다. 일부 과학자는 물질에 전자를 쏘아 결정의 구조를 파악하는 ‘전자 결정학’을 연구하기도 한다. 그러나 아직까진 비주류로 인식되며 결정학 분야는 ‘X선 결정학’의 영향력이 지배적이다.

현대 결정학은 모든 연구의 첫 걸음
결정학은 △생명과학 △신약 개발 △신소재 개발 등 다양한 분야에 활용된다. 1953년 왓슨과 크릭이 X선 결정학을 통해 DNA의 이중나선 구조를 규명했다. 이를 계기로 X선 결정학은 생명 현상에 중요한 역할을 하는 ‘단백질 구조’를 분석하는 데 활발히 활용되고 있다. 단백질 구조를 분석하는 것은 신약을 개발하는 데에도 활용된다. 대부분 질병은 단백질 구조의 이상으로 발생한다. 그래서 아플 때 우리가 먹는 약은 단백질에 붙어 잘못된 기능을 약화시킨다. 약이 단백질에 붙으려면 그 구조가 퍼즐처럼 딱 맞아야 한다. 이 원리를 알고 단백질 구조를 분석하면 특정 단백질에 정확히 작용하는 약도 직접 디자인할 수 있게 된다.
신소재 개발에서 결정학은 재료의 특성을 이해하고 변화시키는 데 사용된다. 물질의 결정구조는 △광학적 △기계적 △전자기적 △화학적 특성과 밀접한 관련이 있다. 그래서 결정을 이루는 원자를 통해 그 특성을 파악할 수 있다. 그리고 한 원자를 다른 성질을 가진 원자로 바꾸면 전혀 다른 특성을 가진 새로운 물질이 탄생하기도 한다. 예를 들어, 염화나트륨(NaCl)에 나트륨(Na)을 대신할 수 있는 칼륨(K)을 넣어 염화칼륨(KCl)이라는 새 물질을 만드는 것이다. 대부분의 신소재 개발은 이런 과정을 통해 이뤄진다.
결정학은 물질을 근본적으로 이해하기 위한 열쇠다. 물질의 특성과 기능을 정확하게 밝혀낼 수 있기 때문이다. 그 때문에 지금까지 결정학 연구 결과로 수여된 노벨상만 스무 개가 넘는다. 우리 학교 신소재공학부 원병묵 교수는 “우리나라 결정학 연구는 1994년 포항에 3세대 방사광가속기가 건설된 이후 발전을 거듭하고 있다”며 “학계와 산업계에 미치는 영향을 고려했을 때, 앞으로 결정학에 대한 정부의 아낌없는 지원과 학생들의 관심이 중요하다”고 언급했다.

◆회절=파동이 장애물이나 좁은 틈을 통과할 때 사방으로 퍼지는 현상이다.

▲ 파장의 길이에 따라 다양한 종류의 빛이 나타난다. ⓒlighting-museum.com



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