펨토화학. AhmedZewail에 의해 소개된 짧은시간대의 화학

월드컵에서 바나나킥으로 찬 볼이 골포스트를 맞고 튕겨져 나왔으나, 그 득점여부가 대단히 애매할 때 TV카메라로 잡힌 slow motion 영상이 없으면 어떻게 될까?

BioChemistry반응도 이와 같다. 이를테면 이산화탄소와 물이 반응하여 녹말이 만들어지는 광합성반응에서 발점은 이산화탄소와 물이요, 반응의 종점은 녹말의 생성이다.그러면 반응에서 우리 인간이 챙길 것은 시발점과 종점뿐인가? 결코 아니다. 이 단일 과정이 순식간에 이를테면, 설사 불과 1초만에 일어난다 하더라도 그 1초를 미분하여 3200만년으로 확장하고 그 3200만년간에 일어나는 모든 변화를 다큐멘터리로 생생히 들여다 볼 수 있는 과학기술이 개발되었는데, 바로 이것이 FemtoSecondSpectroscopy이고 이러한 신비의 학문영역을 구축한 장본인이 바로 AhmedZewail교수이다.

1초의 0,000000000000001(10^-15)의 찰나가 1펨토초이고 이는 1나노초의 백만분의 1이다. 1펨토초를 1초에 대응시키면 1초는 3200만년의 길고 긴 지질학적 연대가 된다. 즈웰교수의 업적은 바로 1초간의 신속한 화학반응을 slow motion화하여 3200만년으로 엿가락처럼 늘려놓고 그 slow motion 상(像) 하나 하나를 인간이 회심의 미소를 띈 채 적나라하게 관찰·음미할 수 있는 기적을 만들어 낸 것이다.

인간의 과학이 대체로 시발점의 물질과 종결점의 물질에만 집착하여 왔는데 이 과정을 3200만년의 과정으로 펼쳐놓고 생생히 slow motion으로 재현하면서 이 과정을 인위적으로 조정하거나 그 과정의 수많은 중간산물을 인간복지향상을 위하여 활용할 수 있게 길을 열어놓은 즈웰의 펨토화학은 이제 NanoTechnology의 모태가 될 것이 확실하다.

즈웰교수의 펨토화학을 통해 인간은 이제 생명과정에서 반응경로의 맥을 추적해갈 수 있게 되었을 뿐아니라 인체내의 화학반응도 실시간으로 관찰할 수 있게 되었다. 가장 흥미로운 것은 이러한 반응에서 원자가 어떻게 움직이는가를 알 수 있게 되었다는 점이며 이제 벌어지고 있는 것을 알게 되었으니 이를 변화시키는 것은 필지의 사실이다.

즈웰교수는 이런 방법으로 이러한 기적을 이루게 되었는가? 이를 위하여 그는 세상에서 가장 빠른 움직임을 찍는 초고속초단파 레이져카메라를 사용하였다. 70년대 중반이 되어서야 개발된 X선 레이저에 기반기술을 두고 있는 이 카메라를 이용하여 그는 화학반응이 일어날 때 원자들이 어떻게 움직이는지를 보여줌으로써 원소들의 결합과 분리, 즉 화학의 새로운 장을 연 것이다.

그가 사용한 레이저카메라는 2개의 펄스(신호)를 내어보내 원자 혹은 분자의 움직임을 포착한다. 한 펄스는 매우 강력한 에너지를 가진 것으로 분자를 때려 이들을 고에너지 상태로 올려놓는다. 약한 에너지를 가진 다른 펄스는 이 분자가 변하기 전, 혹은 완전히 변한 후의 상태를 포착한다. 이 둘을 비교함으로써 화학반응이 일어나는 원자 혹은 분자의 움직임을 잡아내는 것이다. 그의 연구로 인체내의 여러 생명반응부터 환경파괴까지 지구상의 온갖 반응을 아주 느린 slow motion으로 볼 수 있게 된 것이다. 이러한 펨토화학을 이용하여 미래 의약이 어떻게 구성되어야 하는가, 촉매 반응과 분자의 전기적인 성분들이 어떻게 디자인되어야 인간의 생명과 생활에 유리할 것인가를 나노수준에서 설계할 수 있게 되었다.

--BRIC포럼에서 인용