화학의 미스터리

세상의 미스터리를 풀어
 미래로 가는 답을 구하다!
미시세계의 비밀을 파헤쳐 미래를 여는 과학 탐구서!

“CheMystery”
 ‘화학’할 때 화자가 무슨 뜻인지 아시나요?
꽃 화花, 불 화火? 바로 변화 화化입니다.
영어 Chemistry의 어간인 chemi-도 역시 변화라는 뜻입니다.
화학은 변화되는 과정을 다루는 변화의 학문입니다.
나트륨과 염소가 만나 전혀 다른 소금으로 변화하고,
수소와 산소가 만나 전혀 다른 물로 변화합니다.
수많은 분자를 합성시키면 고무가 되기도,
플라스틱이 되기도, 비료가 되기도 합니다.
이러한 변화 과정에서 미스터리가 생기기도 합니다.

우리는 무기물이 어찌하여 유기물이 되어서
 우리 같은 생명체가 되었는지 아직 정확히 알지 못합니다.
우리는 세상의 수많은 미스터리를 푸는 데
 화학이 기여할 수 있으리라 믿습니다.
화학은 변화의 학문, 가능성의 학문이니까요.
카오스강연 ‘화학의 미스터리, CheMystery’가
 이러한 가능성을 보여줄 것입니다.

▼ 화학은 물질을 다루는 학문이다!
화학은 변화되는 과정을 다루는, 변화의 학문이다. 이러한 변화 과정에서 미스터리가 생기기도 한다. 우리는 무기물이 어찌하여 유기물이 되어서 우리 같은 생명체가 되었는지 아직 정확히 알지 못한다. 우리는 10억 분의 1m인 나노 단위까지는 볼 수 있지만 더 작은 세계의 비밀을 아직 모른다. 주기율표상의 빈 공간을 채울 또 다른 원소가 있는지도 알지 못하고, 우주의 95%를 차지하는 암흑물질과 암흑에너지를 알지도 못한다. 그러나 우리는 이런 세상의 수많은 미스터리를 푸는 데 화학이 기여할 수 있으리라는 것은 믿고 있다. 화학은 변화의 학문, 가능성의 학문이기 때문이다.

▼ 화학이라는 학문의 중요성과 현주소를 알 수 있는 계기
 화학은 원래 과학을 부르는 다른 이름이었다. 17세기 과학혁명이 태동하던 시절에는 화학자들이 압도적으로 많았고, 과학자들은 동시에 화학자이기도 했다. 연금술에 몰두하기도 했던 뉴턴의 이야기는 유명하며, 라부아지에와 돌턴, 아보가드로 등의 화학자는 익히 명성을 떨친 과학자다.
한때 우리나라에서도 화학과와 화학공학과가 이과계열 최고 인기였던 적이 있었다. 미래는 화학에 달려 있다고 믿던 시절이었다. 하지만 요즘 학생들은 인공 지능이나 코딩 등에 관심을 두기에 화학은 자칫 ‘전망 없는’ 학문으로 여겨질 수도 있다. 화학에서 인공지능이나 뇌과학, 유전자가위나 코딩 따위를 떠올리기는 쉽지 않기 때문이다.

▼ 미래를 여는 놀라운 미래 학문, 화학
 하지만 화학은 수많은 미래 학문과 연결되어 있다. 미래에너지, 수소·전기자동차, 양자역학(물리화학), 빅데이터(계산화학), 미래의약품, 인공근육, 첨단소재, 나노, 반도체 등이 모두 화학이 다루는 분야들인 것이다. 그리고 우리 뇌의 비밀과 인체의 비밀을 제대로 알려면 분자 단위를 다루는 화학이 절대적으로 필요하다.
화학 단어는 일상에서 아주 쉽게 쓰이기도 한다. 자주 사용하는 ‘저 사람과 내가 케미가 있다’라는 말은 서로 다른 존재가 만나 화학적 반응을 한다는 의미의 케미는, 당연히 케미스트리(화학)에서 나온 말입니다. 화학은 우리 생활과 뚝 떨어져서 과학자들에게 학문으로서만 존재하는 것이 아니다. 어떤 학문보다 우리 생활과 밀접한 관계가 있으며, 더 나은 미래를 위해 꼭 필요한 분야라는 걸 이 강연집으로 통해 알게 되길 희망한다.

카오스재단은 ‘과학, 지식, 나눔’을 모토로 대중이 과학을 좀 더 쉽게 이해하고 즐기게끔 노력하는 단체다. 매년 상반기와 하반기로 나누어 선정된 과학 주제로 10회에 걸쳐 강연한다. 2015년 상반기 주제 ‘기원’을 시작으로, ‘빛’, ‘뇌’, ‘지구’, ‘물질에서 생명으로’, ‘미래과학’, ‘수학’이 어떤 것인지에 대해 강연을 진행했다.
‘렉처 사이언스 KAOS’ 여덟 번째 책은 《화학의 미스터리》다. 엔트로피, 주기율표와 분자운동, 분자 관람 그리고 나노, 단백질 구조예측까지 미래를 위한 화학 특강이다. 미래에너지, 수소·전기자동차, 양자역학(물리화학), 빅데이터(계산화학), 미래의약품, 인공근육, 첨단소재, 나노, 반도체 등 우리 미래를 판가름할 다양한 것들에 화학이 깊이 연관되어 있음을 알게 되는 계기가 될 수 있을 것이다. 이번 카오스강연 ‘화학의 미스터리, CheMystery’ 10개 강연을 모은 이 강연집은 화학이라는 학문의 중요성과 현주소를 알기에 좋은 책이 될 것이다.

1강 ‘에너지와 엔트로피: 세상은 무엇으로 굴러갈까?’에서는 김성근 교수가 모든 것에서 에너지 변화와 엔트로피 변화가 있다는 것을 설명한다. 즉 식물이 묘목에서 출발해서 큰 나무가 되었다가 쇠잔하게 되는 과정과 같다. 모든 화학적 변화를 수반하는 에너지와 엔트로피가 각각 안정과 혼돈을 표현하면서 이들 사이의 균형이 화학 평형과 반응을 관장한다는 사실을 보여준다.

2강 ‘세상을 만드는 원자는 동그랄까, 길쭉할까, 우글쭈글할까?’에서는 이영민 교수가 양자화학에 대해 설명한다. 원자들이 모여 분자를 이루고, 이러한 분자들이 모여 물질 세상을 만든다. 화학은 이러한 물질 세상을 이해하는 기본 원리를 제공하며, 원자나 분자와 같은 작은 세계를 정확히 이해하기 위해서는 양자 역학 원리의 적용이 필수적이다. 이런 양자 역학 개념을 쉽게 설명해준다.

3강 ‘변화와 다양성: 주기율표의 탄생과 화학의 역사’에서는 김경택 교수가 화학사의 숨어 있는 뒷이야기와 학창시절부터 익숙한 주기율표에 대해 설명한다. 원소의 발견과 이해, 원자의 구성과 원자들의 화학 결합에 대한 역사적 발견들과 주기율표로 정리되는 과정을 살펴본다.

4강 ‘화학반응의 바늘과 실: 전자와 양성자’에서는 정택동 교수가 전자와 양성자의 거동, 전기화학에 대한 것을 다루면서 전기자동차부터 시작해서 우리의 모든 환경과 미래까지를 설명한다. 화학을 배우면 산과 염기를 만나고 산화 환원이 등장하는데, 화학의 가장 기본이기도 하다. 또한 바늘과 실처럼 함께 따라다니는 전자와 양성자를 설명한다.

5강 ‘분자운동과 화학반응, 그 역동의 세계’에서는 윤완수 교수가 분자운동과 화학반응을 설명한다. 끊임없이 움직이는 작은 것들의 세계에서 일어나는, 때로는 격정적이고 때로는 장엄하기도 한 사건들이 우리의 삶과 일상을 늘 가득 채우고 있다는 사실을 깨닫게 된다.

6강 ‘눈으로 보는 분자 1개의 화학’에서는 김유수 교수가 눈으로 보는 분자 하나하나의 표면에서 일어나는 화학을 설명한다. 물질의 표면은 분자와 원자가 저마다의 원칙을 갖고 배열되어 있고, 그 미시적인 구조가 화학반응과 기능과 성질을 규정짓고 있음을 볼 수 있다.

7강 ‘분자 관람: 공학의 미학’에서는 이동환 교수가 '공학(空學)의 미학'을 주제로 설명한다. 화학은 공간의 학문이어서 아는 만큼 더 보인다. 패턴 속에 감추어진 규칙과 변칙을 찾다보면 모르고 지나쳤던 아름다움을 발견하는 것을 볼 수 있다.

8강 ‘나노: 우리의 미래’에서는 이광렬 교수가 우리의 모든 것을 관장하는 작은 세계, 나노에 관해 설명한다. 나노미터는 얼마나 작은지, 나노물질을 볼 수 있는 현미경과 물질이 나노미터 수준으로 작아지면 어떤 새로운 성질이 생겨나는지 등을 알려준다.

9강 ‘단백질 구조 예측: 분자세계 게임의 법칙을 찾아서’에서는 석차옥 교수가 컴퓨터를 이용해서 화학을 얼마나 멋지게, 그것도 단백질이라는 굉장히 도전적인 문제를 어떻게 해결하는지를 게임의 법칙을 들어 설명한다.

10강 ‘화학적 감각: 냄새, 맛의 정체는 무엇인가?’에서는 박태현 교수가 맛과 냄새의 정체에 대해서 설명한다. 인간이 가진 다섯 가지의 주요 감각인 시각, 청각, 촉각, 후각, 미각 가운데 시각, 청각, 촉각은 물리적 감각이지만, 나머지 두 감각인 후각, 미각은 화학적 감각이다. 이 두 화학적 감각의 정체가 무엇인지 알아본다.

김성근
서울대학교 화학과 (이학사) 를 졸업하고, 미국 하버드대학교에서 물리학으로 이학석사와 화학물리학으로 이학박사를 받았다. 서울대학교 자연과학대학장을 지냈으며, 현재 서울대학교 화학부 교수로 재직 중이다. 영국왕립화학회 펠로우, 국제 학술지 PCCP 편집장 및 편집 이사회 의장, 삼성미래기술육성재단 이사장 및 KAOS 과학위원장으로 활동하고 있다.

이영민
서울대학교 화학과(이학사)를 졸업하고 동 대학원 동 학과에서 석사 학위를, 미국 스탠포드대학교 화학과(이학박사)에서 박사학위를 받았다. 포항공과대학교 화학과에서 조교수와 부교수를 역임했다. 현재 한국과학기술원(KAIST) 화학과 교수로 역임 중이다.

김경택
토론토 대학교 화학과에서 이학박사를 받았다. 네덜란드 나이메겐 대학교에서 박사후 연구원을 지냈으며, 서울대학교 화학부 교수로 역임 중이다.

정택동
서울대학교 화학과를 졸업하고 동 대학원 동 학과에서 이학 석사 및 이학박사를 받았다. 미국 캘리포니아공과대학교 화학과 포닥과 미국 오크리지 국립연구소 연구원을 지냈다. 현재 서울대학교 화학부 교수로 역임 중이며, 차세대융합기술 연구원 원장이다.

윤완수
서울대학교 화학교육과를 졸업하고 동 대학원 화학과에서 석사 및 박사를 받았다. 미국 하버드대학교 화학과 박사후 연구원을 지냈으며, 현재 성균관대학교 화학과 교수로 역임 중이다. 한국표준과학연구원 나노양자연구단장이었으며, 나노바이오융합기술연구소장이다.

김유수
서울대학교 자연과학대학 화학과를 졸업하고 동 대학원에서 석사를 받았고, 동경대학교 응용화학과에서 공학박사를 받았다. 이화학연구소(RIKEN) 표면화학연구실 전임연구원을 지냈으며, 일본이화학연구소(RIKEN) 종신 주임연구원이다. 큐우슈우대학교 응용화학부 연계교수, 한국광주과학기술원(GIST) 화학과 객원교수이다.

이동환
서울대학교 화학과를 졸업하고, 매사추세츠 공과대학(MIT)에서 이학박사를 받았다. 미국 인디애나대학교 블루밍턴(Indiana University Bloomington)에서 교수를 지냈으며, 현재 서울대학교 화학부 교수로 재직 중이다.

이광렬
KAIST 화학과를 졸업하고 일리노이대학교 어바나-샴페인 캠퍼스(University of Illinois at Urbana- Champaign)에서 화학과, 무기화학 박사를 받았다. KAIST에서 박사후 연구원을 지냈으며, 현재 고려대학교 화학과 교수로 역임 중이다.

석차옥
서울대학교 화학과(이학사)를 졸업하고, 미국 시카고대학교 화학과에서 이학박사를 받았다. 매사추세츠공과대학교 화학과, 캘리포니아대학교 샌프란시스코캠퍼스 약학화학과에서 박사후 연구원을 지냈으며, 현재 서울대학교 화학부 교수로 역임 중이다.

박태현
서울대학교 화학공학과를 졸업했고, 카이스트에서 화학공학 석사학위를, 미국 퍼듀 대학교에서 화학공학 박사학위를 받았다. 미국 캘리포니아 대학교(어바인)에서 박사후연구원을 지냈고, LG 바이오텍 연구소 선임연구원, 성균관대학교 유전공학과 교수, 미국 코넬 대학교 객원교수, 서울대학교 바이오공학연구소 소장 및 생명공학공동연구원 원장을 역임했다. 현재 서울대학교 화학생물공학부 교수 및 차세대융합기술연구원 원장으로 재직 중이며, 생물공학 분야의 대표적인 국제 학술지인 『엔자임 앤드 마이크로비얼 테크놀로지Enzyme and Microbial Technology』와 『바이오테크놀로지 저널Biotechnology Journal』의 에디터로 활동하고 있다. 저서로는 미국화학회에서 출간한 『바이올로지컬 시스템 엔지니어링Biological Systems Engineering』을 비롯하여, 『생물공정공학』, 『미래를 들려주는 생물공학 이야기』, 『처음 읽는 미래과학 교과서: 생명공학』, 『영화 속의 바이오테크놀로지』, 『생명과학 교과서는 살아 있다』, 『화학 교과서는 살아 있다』등이 있다. 한국공학한림원 해동상(2013), 특허기술 대상 세종대왕상(2003), 아시아생물공학연합체 야벡 어워드YABEC award(2012), 한국화학공학회 형당교육상(2012), 한국생물공학회 우수기술연구상(2008), 서울공대 우수강의상(2011)을 비
롯한 다수의 상을 수상했다.
현재는 생명공학 기술을 이용하여 생산된 인간의 후각과 미각 수용체를 나노 기술과 접목시킴으로써, 인간의 후각 · 미각과 유사한 기능을 갖는 ‘바이오전자코’와 ‘바이오전자혀’ 개발을 위한 연구를 수행 중이다. 또한 과학과 대중과의 소통에 관심을 갖고, 교양과학 서적의 저술 및 TV 특강 등을 통한 대중강연을 펼치며 과학의 대중화에도 힘을 쏟고 있다.

머리말 / 4
LECTURE 01 에너지와 엔트로피: 세상은 무엇으로 굴러갈까? - 김성근
 화학, 변화의 과학 / 18 화학결합 에너지 / 24 열역학 법칙들 / 30
엔트로피의 수학 / 통계적 의미 / 37 확률과 통계의 화학 / 41 다시 미스터리로 / 46
패널 토의 / 48
질의응답 / 56

LECTURE 02 세상을 만드는 원자는 동그랄까, 길쭉할까, 우글쭈글할까? - 이영민
 원자, 분자, 화학결합… / 60 파동함수를 이해할 수 있는 지식들 / 66
흔히 하는 몇 가지 착각들 / 72
패널 토의 / 79
질의응답 / 87

LECTURE 03 변화와 다양성: 주기율표의 탄생과 화학의 역사 - 김경택
 원소의 주기율표 / 92 화학은 세계와 변화에 관한 학문 / 94 화학혁명: 질량보존의 법칙 / 102
화학은 친밀하고 로맨틱한 학문 / 117
패널 토의 / 118
질의응답 / 124

LECTURE 04 화학반응의 바늘과 실: 전자와 양성자 - 정택동
 노벨상 메달 숨기기 / 130 전자와 양성자 / 133 산과 염기 그리고 산화/환원 / 136
광합성과 호흡 / 139 현대 전기화학 / 144
패널 토의 / 150
질의응답 / 156

LECTURE 05 분자운동과 화학반응, 그 역동의 세계 - 윤완수
 위치에너지 / 162 분자 에너지 / 169 반응 속도 / 174
화학반응 속도의 결정요인 / 177 눈으로 보는 반응 / 179
패널 토의 / 184
질의응답 / 190

LECTURE 06 눈으로 보는 분자 1개의 화학 - 김유수
 화학반응과 촉매 / 196 표면과 분자 / 198 분자 1개를 보는 현미경 / 201
분자 1개의 화학반응을 일으키다 / 205
패널 토의 / 214
질의응답 / 220

LECTURE 07 분자 관람: 공학의 미학 - 이동환
2017년에 태어난 새로운 분자들 / 226 패턴과 규칙 / 229 공간과 방향 / 234
화학결합과 기계결합 / 245 왜 또 새로 만들까? / 249
패널 토의 / 253
질의응답 / 260

LECTURE 08 나노: 우리의 미래 - 이광렬
 나노/분자 세계는 얼마나 작은가? / 264 현미경으로 보는 나노 물질/구조 / 269
형형색색의 나노입자 / 273 우리 주변의 나노기술 / 276
패널 토의 / 279
질의응답 / 286

LECTURE 09 단백질 구조 예측: 분자세계 게임의 법칙을 찾아서 - 석차옥
 단백질 구조 / 290 단백질 구조의 중요성 / 296 단백질 구조 예측 / 298
단백질 구조 예측 대회, CASP / 304 단백질 구조 예측, 그다음은? / 307
패널 토의 / 310
질의응답 / 318

LECTURE 10 화학적 감각: 냄새, 맛의 정체는 무엇인가? - 박태현
 냄새를 화학물질로써 정의할 수 있을까? / 324 후각의 역할 / 327 후각수용체 / 328
융합 기술 / 336 단맛 수용체 / 338 어디에 쓸 것인가? / 340
패널 토의 / 342
질의응답 / 349

그림 출처 / 352
찾아보기 / 354