책 제목을 보고 작가 ‘사토 겐타로’를 기억해냈다. 예전에 겐타로의 ‘세계사를 바꾼 10가지 약’이라는 책을 읽은 기억이 났다. 화학자이면서 작가로 일본에서 유명하다. 화학적 반응이 우리 일상에 미치는 영향을 전문가의 눈으로 풀어 재미있게 전문분야에 접근할 수 있게 해준다. 이 책도 그래서 읽었다.
책의 부 제목이 “문명의 기반이 된 ‘철’부터 미래를 이끌 ‘메타물질’까지” 이다. 인류가 문명사회를 이룩한 이래 크고 작은 변화를 수없이 맞이하며 현대에 이르렀다. 변화는 천재 한 명의 발명이나 사상에서 비롯되기도 했고, 먼 나라와 교역하거나 전쟁을 치르며 찾아오기도 했다. 왕조, 사상, 학문, 종교, 정치 체제부터 일상 속 인사말, 매일 먹는 음식에 이르기까지 인간 사회를 이루는 것 중에 변하지 않는 것은 하나도 없다.
작가는 “어떤 변혁이든 한 가지 원인으로 시작되지는 않는다. 다양한 요소가 모여야 비로소 시작된다. 그중에서도 ‘재료’의 힘에” 주목한다. 인류는 석기시대, 청동기시대, 철기시대와 같은 재료의 명칭이 붙은 변화를 거쳤다. 이 책에서는 수많은 재료 중에서 인류에 극적인 변화를 가져온 12가지 물질을 뽑아 역사와 관계를 소개한다.
‘금’ 세계사를 바꾼 신소재 금만큼 많은 사람이 갈망하고 욕망하는 물질은 없다. 금은 항상 아름답게 빛나며, 어떤 조건에서도 녹슬거나 변하지 않고 같은 상태를 유지한다. 금은 변하지 않고 누구나 갖고 싶어 하는 것이다. 그러나 금은 실용적인 용도에 사용할 경우 이점이 거의 없다. 비중이 19.3(철의 약 2.5배)에 달한다. 무르고 쉽게 상처가 나서 무기나 공구 등으로 사용하기에 부적합하다.
어찌 됐든 금의 찬란한 빛은 인류사에 지대한 영향을 끼쳤다. 전 세계의 거의 모든 민족이 다른 수많은 백색, 은색 금속보다 금을 훨씬 귀하게 여긴다. 금을 향한 인간의 욕망은 중세 유럽을 휩쓸었던 ‘연금술’에서 볼 수 있다. 연금술은 화학의 발전을 이끌었다. 이렇게 발전한 화학 덕분에 금은 새로운 용도로 쓰이게 되었다. 금은 반도체와 전극과 칩을 연결하는 배선에 사용한다. 스마트폰 한 대에 들어가는 금은 약 30mg이다.
금은 나노 크기의 미립자로 만들 경우 선명한 붉은빛을 발하는 등 평소와 다른 성질을 띤다. 이 같은 금 나노 분자가 유해 물질을 분해하거나 플라스틱 원료를 제조할 때 촉매로 작용한다.
‘도자기’ 인류 최초의 발명품이 그릇이란 사실은 매우 당연해 보인다. 세계 각지에서 흙을 반죽해 형태를 만든 후 불에 구워 만든 토기를 오래전부터 사용했다. 최초의 도자기인 토기는 약 1만 8천 년 전에 만들어졌다고 한다. 인류는 다양한 목적에 따라 토기를 만들었다. 안전하게 식량을 확보하는 것은 물론, 전염병 또한 예방할 수 있게 되었다. 토기는 인류 번영에 크게 이바지한 셈이다.
도자기의 역사는 얼마나 하얀 그릇을 만들어내느냐의 역사라고도 한다. 도기는 점토를 주원료로 하며, 비교적 저온인 800~1,250℃에서 굽는다. 도자기는 석영이나 장석, 고령석 등의 암석을 간 다음 물로 반죽해 형태를 만들어 여러 번 굽는다. 마지막으로 1,300℃쯤 되는 고온에서 구우면 표면에 발랐던 유약이 용해하고 침투해 매끄럽고 반들반들해진다.
도자기는 ‘파인 세라믹’으로 발전한다. 파인 세라믹은 천연 점토를 원료로 사용할 때와 달리 구성 원소를 자유롭게 바꿀 수 있다. 축전기나 건전지 전극과 같은 전기 재료를 만들어 낼 수도 있다. 페라이트를 비롯한 고성능 자석이나 현재 활발히 연구 중인 고온 초전도 재료 등도 세라믹의 일종이다. 만 년 이상을 인류와 함ㄲ 걸어온 도자기지만 이 재료가 가진 능력은 아직도 무궁무진하다.
‘콜라겐’ 식물이 만들어낸 최고의 재료가 셀룰로스라면 동물이 만들어낸 최고의 재료는 콜라겐이다. 콜라겐이라고 하면 일반적으로 화장품 등 미용과 관련된 제품을 떠올린다. 그러나 실제로는 우리 몸에도 다량 있는 단백질의 한 종류다. 콜라겐은 세포와 세포의 간격을 메꿔서 서로 붙게 하는 접착제 역할을 한다. 뼈는 콜라겐 섬유 사이를 인산칼슘 결정이 메꾸고 있는 철근 콘크리트 같은 구조다. 즉 우리 몸을 지탱하고 몸의 형태를 유지하는 물질은 콜라겐이라 해도 과장이 아니다. 우리 몸을 구성하는 단백질의 3분의 1일 콜라겐이다.
콜라겐은 생체와 잘 맞는다. 의료, 바이오 분야에서 이미 화장품이나 의약품의 첨가물로 콜라겐을 널리 사용 중이다. 외과 수술할 때 콜라겐으로 만든 실로 상처를 꿰매면 실이 천천히 분해되어 몸에 흡수되므로 실을 뽑지 않아도 된다. 성형 수술 주입, 콘택트렌즈나 치주병 치료에도 콜라겐 제품을 사용한다.
재생 의료의 필수 재료로 질병이나 부상으로 손상된 장기나 신체 기능을 자신의 세포를 바탕으로 재구축한 다음 이식하는 치료에도 사용된다.
인류의 행동반경을 넓히고 능력을 확장해준 콜라겐이란 재료는 이제 인류의 수명을 늘리는데 사용하고 있다.
‘철’ 기원전 15세기경 소아시아에서 일어난 히타이트인이 처음으로 철을 사용한 이래, 철은 인간 사회와 생활의 중심에 있었고 문명 발전에 공헌해왔다. 철은 도시이자 산업이며 문명이다. 철이 없었다면 인류는 아직 원시적 방법으로 농사를 짓거나 허름한 오두막에서 살고 있을지도 모른다.
지구에는 대량의 철이 있다. 전체로 따지면 중량의 약 30%가 철이다. 철은 무거워서 지구 속 깊이 가라앉았고 지표면에는 얼마 안 되는 양만 남았다. 그런데도 전체 원소 중 4위다. 고학 저술가 캐런 피츠제럴드는 ‘철 이야기’에서 민주주의가 성립하게 된 것은 철이 보편적으로 존재하는 원소이기 때문이란 설을 소개했다. 청동이 희귀해서 권력자들 중심으로 소유했다면 철은 많은 사람이 가질 수 있었다. 이런 까닭에 강력한 무기는 왕의 독점물이 될 수 없었고 결과적으로 철이 민중에게 힘을 주었다는 주장이다.
철의 단점은 쉽게 녹이 슨다는 것이다. 녹슬지 않는 철을 만들려는 인류의 꿈은 3,500년 만에 이루었다. 스테인레스강이다. 제철 기술은 지금도 발전하고 있다.
‘셀룰로스’ 땅에서 자라나 도망칠 수도, 먹잇감을 쫓을 수도 없는 식물이 살아남기 위해 여러 가지 장치를 만들었다. 거센 바람을 맞아도 쓰러지거나 찢어지지 않는 강하고 유연한 섬유는 식물이 생존하는 핵심적 요소 중 하나다. 식물 섬유가 강하고 질긴 이유는 셀룰로스와 리그닌이라는 두 가지 물질 때문이다. 사람의 몸으로 말하면 셀룰로스가 골격, 리그닌이 근육에 해당한다. 셀룰로스는 지구상에 가장 많이 존재하는 유기화합물이다. 전 세계 식물이 만들어내는 셀룰로스는 연간 1,000억 톤이라고 한다.
셀룰로스는 건축자재, 연료로 오래전부터 사용해 왔다. 모시나 무명 같은 천, 종이, 의약품인 알약을 만드는 데도 이용한다.
인류사 최대의 발명품인 종이는 책, 노트 등 정보를 기록하는 매체로, 미닫이문 등의 건축 재료, 골판지나 포장지 등의 포장 재료, 종이컵이나 우유 팩 등의 용기류, 커피 필터나 종이 기저귀, 화장지 등의 일상용품에 이르기까지 우리가 종이 제품 없이는 살 수 없게 됐다.
‘탄산칼슘’ 탄산칼슘은 석회암의 형태로 대량 산출된다. 탄산칼슘의 원료는 공기 중에 있는 이산화탄소다. 이산화탄소는 물에 쉽게 녹으므로 바다에 흡수되어 탄산이 되고 바닷물 속에 풍부한 칼슘이온과 만나 불용성의 탄산칼슘이 되어 가라앉는다. 탄산칼슘이 없었다면 지구는 고온으로 생명체가 살 수 없는 행성이 되었을 것이다. 탄산칼슘은 시멘트의 원료로 사용한다. 탄산칼슘이 만드는 최고의 보석은 진주다.
바닷물 온도의 상승, 천적인 가시왕관불가사리의 증식, 대기 속 이산화탄소 증가에 따른 해양의 산성화 등으로 산호초가 급속도로 파괴되고 있다. 이미 전 세계 산호초의 20%가 파괴되었다. 산호초가 파괴되면 바다의 이산화탄소 흡수력이 약해져 지구 온난화 온도 또한 빨라진다는 예측이 나왔다. 이산화탄소와 탄산칼슘 사이에 유지되어온 위태로운 균형이 지금 무너지려 하고 있다.
‘피브로인’ 갖가지 뛰어난 합성섬유를 싼값으로 구할 수 있는 시대지만, 누에고치에서 뽑아낸 비단은 변함없는 인기 옷감이다. 비단의 주성분은 ‘피브로인’이라는 이름의 단백질이다. 단백질은 부패하기 쉬운 대표 물질이다. 단백질이 주성분인 동물의 고깃덩어리를 더운 곳에 두면 몇 시간 만에 세균이 번식해 흐물흐물해진다. 세균이 방출하는 소화효소가 단백질을 아니모산 단위로 분해하여 최종적으로 단백질이 이산화탄소와 물로 환원되는 까닭이다. 그러나 비단은 단백질로 되어 있지만 수천 년을 견딘다. 이는 피브로인을 구성하는 아미노산 사슬이 베타시트나 베타 턴 이라 불리는 접힌 구조를 많이 포함하는 덕분이다. 이 구조는 풀기 힘들 뿐 아니라 소화효소의 공격에도 강하다. 최근 들어 명주실에 트립신 억제제란 단백질이 포함되어 있다는 사실이 밝혀졌다. 트립신 억제제는 소화효소의 일종인 트립신과 결합해 작용을 방해한다. 비단은 천연방부제를 가진 셈이다.
최근 누에나방에 거미 유전자를 이식해 명주실 대신 거미줄을 만들게 하는 연구가 추진 중이다. 이 섬유가 바로 스파이더 실크다. 상당히 질기고 가볍다. 군사에서 재생 의료에 이르기까지 폭넓은 분야에 응용할 수 있을 것이다. 중국 칭화대학 연구팀은 꿈의 탄소 재료라 불리는 탄소 나노튜브나 그래핀을 물에 풀어 뽕잎에 뿌린 다음 누에에게 먹이는 실험을 해서 만들어진 명주실은 강도가 매우 높았고 고온으로 처리할 경우 전기를 통과시켰다고 한다.
‘폴리아이소프렌’ 고무의 특징은 신축성이다. 이 특성은 분자 구조가 탄소와 수소로 이루어져 있고 그 비율이 5:8이란 사실이다. 아이소프렌이란 분자는 중요한 단위 구조로 자연계의 많은 화합물이 아이소프렌을 기초로 형성된다. 감귤류의 향기 성분인 리모넨과 박하의 향기 성분인 멘톨은 두 개, 장미의 향기 성분인 파네졸은 세걔, 당근의 색소인 카로틴은 여덟 개의 아이소프렌 단위를 토대로 구성된다.
고무는 이 아이소프렌 단위가 끝없이 길게 이어져 있다. 귤 향기와 고무는 전혀 달라 보이지만 분자 수준에서 보면 상당히 가까운 친척뻘이다. 부풀어 오른 고무풍선에 귤껍질의 즙을 뿌리면 잠시 후에 풍선이 터져버린다. 비슷한 분자끼리 섞이기 쉬우므로 껍질에 함유된 리모넨 등의 고무 성분을 녹여 풍선 막을 약하게 만듦으로써 풍선이 터져버리는 것이다.
고무는 유황을 섞어 가열하면 내열성이 생긴다. 이것을 ‘가황법’이라고 한다. 가황고무는 발명된 지 백몇십 년 만에 세상을 완전히 바꾸어놓았다. 타이어는 자동차 산업의 근간을 바꿨다.
‘자석’ 에너지를 가하지 않아도 거리와 차단막을 뛰어넘어 물체를 끌어당기는 자석은 유용하고 특이한 존재다. 자석의 영어 이름인 ‘마그넷’의 어원에는 몇 가지 설이 있다. 그리스의 마그네시아 지방에서 산출된 데서 유래했다는 설이 유력하다. 그리스에서는 이미 기원전 6~7세기에 자석이 철을 끌어당기는 성질이 널리 퍼져있었다. 자석은 남,북을 가리킨다. 이 성질을 이용해서 나침반을 만들었고, 원거리 항해가 가능했다.
1840년 이후의 지구자기를 측정한 결과, 100년마다 5%씩 지구자기의 세기가 약해지고 있다는 사실이 밝혀졌다. 인류는 19세기에 접어들어 전기를 자기로, 자기를 전기로 쉽게 변환할 수 있게 되었다. 자기력의 응용분야는 모터와 발전기뿐만 아니라, 음악산업과 컴퓨터에 이른다. 1960년 희토류 원소를 넣은 강력한 자석이 등장한다. 희토류 자석을 뛰어넘어 현재 세계 최강의 자리에 군림하는 자석은 사가와 마사토가 1982년 개발한 네오디뮴 자석이다. 작은데도 흡입력이 굉장해 하드디스크와 휴대전화의 소형화에 크게 기여했다.
‘알루미늄’ 차량에 혁명을 가져온 재료가 고무라면 항공기 시대를 연 재료는 알루미늄이다. 가볍과 튼튼하고 녹슬지 않는 금속 알루미늄이 처음 금속 형태로 추출된 때는 1825년이다. 대량생산 체제가 확립되어 널리 사용하기 시작한 때는 20세기 이후다. 알루미늄은 가볍고 단단하며 안정할 뿌 아니라 저렴한 비용으로 대량생산할 수 있다. 알루미늄의 강도를 보강하기 위해 구리, 마그네숨, 망간을 소량 첨가하면 강도를 크게 높일 수 있다는 사실을 밝혀냈다. 독일의 ‘두랄루민’ 발명이다. 이후 첨가하는 금속의 조성을 바꿔 더욱더 강도를 높이니 초두랄루민, 초초두랄루민도 개발되었다.
‘플라스틱’ 플라스틱만큼 다른 재료의 영역을 많이 빼앗은 재료는 없다. 오늘날 우리는 플라스틱 섬유로 된옷을 입고, 플라스틱 의자에 앉아 플라스틱 식기로 음식을 먹으며 플라스틱 카드로 돈을 낸다. 플라스틱 매체로 기록된 영상을 플라스틱제 화면에 띄워 바라본다. 뿐만아니라, 저하된 시력을 플라스틱 렌즈로 교정하면서 생활한다. 수천에서 수만 개 이상의 원자가 결합해서 만들어진 거대 분자는 ‘고분자’라고 부른다. “플라스틱은 고분자 물질을 주원료로 하여 인공적으로 유용한 형태로 만든 고체다.
단, 고무 칠감, 접착제 등은 제외한다.”일본공업규격의 규정이다. 쉽게 말해 원자를 인공적으로 많이 결합시켜 사용하기 쉽게 굳힌 물질은 모두 플라스틱이다.
플라스틱은 종류가 다양하다. 그중에서 포리에틸렌은 양동이나 비닐봉지 등 우리 주변에서 흔히 사용하는 플라스틱 제품은 대개 폴리에틸렌으로 만든다. 전체 플라스틱의 1/4을 차지한다.
플라스틱은 각종 천연재료와 달리 세균이나 효소작용에 의해 분해되어 자연으로 완전히 환원하지 않는다. 플라스틱은 유기물을 쉽게 흡착하므로 각종 독성물질을 농축해버릴 가능성이 있다.
‘실리콘’ 탄생한 지 겨우 60여 년된 ‘규소로 만든 뇌’는 ‘탄소로 만든 뇌’를 추월했다. 탄소와 규소는 본래 사이좋은 형제 원소였으나 한쪽은 생명 세계의 리더가 되었고, 한쪽은 무기물 세계의 선두 주자 자리에 앉았다.
탄소와 규소는 주기율표에서 바로 위아래에 위치한 형제 원소다. 결합 팔이 네 개 있고 규소의 결정 구조는 다이아몬드와 완전히 똑같다는 점 등 이 둘은 여러모로 공통점이 많다.
규소는 대량으로 존재하는 원소인데 인간이 발견하기까지 오랜 시간이 결렸다. 순수한 규소는 은빛 광택을 내뿜는 고체로 언뜻 금속처럼 보인다. 규소를 ‘반금속’으로 분류한다. 비금속의 중간인 반도체의 성질을 지닌다. 반도체는 불순물의 양이나 빛을 쏘이는 방법 등으로 전기를 통과시키는 정도를 조절할 수 있는 물질이다. 반도체는 진공관에서 트랜지스터, 트랜지스터를 집적회로로 집적회로를 실리콘 칩으로 바꿨다. 집적회로는 인공지능으로 발전했다.
재료란 ‘물질 중에서 인간 생활에 직접 도움이 되는 것’이다. 지금까지 알려진 물질의 수는 1억 4,000만 개가 넘지만 ‘직접 도움이 되는 것’은 극소수다. 원료를 간단히 구할 수 있고, 대량생산이 가능해야 하며, 가공하기 쉬어야 한다. 또 인체에 무해하고 환경 부담이 적어야 한다는 등 다양한 요건을 만족해야 한다. 용도에 따라서는 가볍거나 단단해야 하며, 세월이 흘러도 좀처럼 변하지 않아야 하는 등 이런저런 조건이 추가된다.
앞으로 뛰어난 재료가 계속해서 출현하여 시대를 크게 바꾸어놓을 것이다. 앞으로 세계를 바꾸리라고 예상되는 재료에 ‘메타물질’이 있다. 직역하면 ‘초월물질’이다. 크기가 원자 이하인 물체까지 관찰 가능한 광학 현미경, 미량 물질의 검출에 따른 암의 조기 발견 등 메타물질의 활용 가능성이 무궁무진할 것으로 예상된다.
주변에서 편리하게 사용하고 있는 물건들이 역사와 더불어 발전해왔다는 것을 잊고 사용한다. 세상에 있는 모든 것들이 그냥 있는 것이 아니다. 다 ‘존재의 이유’가 있다는 것을 새삼 느낀다.
책 소개
세계사를 바꾼 12가지 신소재. 사토 겐타로 지음. 송은애 옮김. 2019.06.25. 북라이프. 275쪽. 16,000원.
사토 겐타로 : 1970년 5월 8일 일본 효고현에서 태어나 도쿄대 이과대학교 이학부 응용화학과 졸, 도쿄공업대학교 대학원에서 유기합성화학을 공부했다. 이바라키현 쓰쿠바시의 제약회사에서 연구원. 2007년부터 글쓰기에 전념 과학 전문 프리랜서로 활동하고 있다. 저서로 [탄소 문명론] 등이 있다.
송은애. 국립 오차노미즈여자대학교에서 글로벌 문화학과 비교 역사학을 공부했다. 바른번역소속 번역가로 활동 중이다.
