머리카락의 수천분의 1 크기인 나노봇이 여러분을 소리 없이?? What?
THE NOBEL PRIZE IN CHEMISTRY 2016
The Lecture Series in the Humanities delivered by Y. J. Eom at IDEA FACTORY on Jan 21, 2017
How molecules became machines
분자가 어떻게 기계가 될 수 있지?
The Nobel Prize in Chemistry 2016 is awarded to Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart and Bernard L. Feringa for their development of molecular machines that are a thousand times thinner than a hair strand. This is the story of how they succeeded in linking molecules together to design everything from a tiny lift to motors and minuscule muscles.
2016 년 노벨 화학상은 머리카락보다 수천 배 얇은 분자 기계 개발을 위해 쟝 피어 슈바즈, 프레이저 스토다트 경, 그리고 버나드 페린가에게 수여됩니다. 이것은 작은 리프트에서 모터 및 소소한 근육에 이르기까지 모든 것을 디자인하기 위해 분자를 연결하는 것을 성공한 것에 대한 이야기입니다.
How small can you make machinery? This is the question that Nobel Laureate Richard Feynman, famed for his 1950s’ predictions of developments in nanotechnology, posed at the start of a visionary lecture in 1984. Barefoot, and wearing a pink polo top and beige shorts, he turned to the audience and said: “Now let us talk about the possibility of making machines with movable parts, which are very tiny.”
얼마나 작은 기계를 만들 수 있습니까? 이것은 나노 기술 발전에 대한 1950년대의 예측으로 유명했던 노벨상 수상자 Richard Feynman이 1984 년 환상적인 강의를 시작할 때 제기 한 문제입니다. 맨발로 분홍색의 폴로 톱과 베이지 색 반바지를 착용하고 그는 청중에게 눈을 돌 립니다. "이제는 아주 작은 가동 부품으로 기계를 만들 가능성에 대해 이야기합시다."
He was convinced it was possible to build machines with dimensions on the nanometre scale. These already existed in nature. He gave bacterial flagella as an example, corkscrew-shaped macromolecules which, when they spin, make bacteria move forward. But could humans – with their gigantic hands – build machines so small that you would need an electron microscope to see them?
그는 나노미터 규모의 치수를 갖는 기계를 제작하는 것이 가능하다고 확신했습니다. 이들은 이미 자연 속에 존재했습니다. 그는 박테리아 편모를 예로 들었습니다. 코르크 마개 모양의 거대 분자는 회전 할 때 박테리아가 앞으로 나아갈 수 있게 합니다. 그러나 거대한 손을 가지고 있는 인간이 너무 작아서 전자 현미경이 필요할 정도의 작은 기계를 어떻게 만들 수 있을까?
A vision of the future – molecular machines will exist within 25–30 years One possible way would be to build a pair of mechanical hands that are smaller than your own, which in turn build a pair of smaller hands, which build even smaller hands, and so on, until a pair of minuscule hands can build equally minuscule machinery. This has been tried, said Feynman, but without great success.
미래의 비전 - 분자 기계는 25-30 년 안에 존재할 수 있습니다. 가능한 한 가지 방법은 자신의 것보다 작은 한 쌍의 기계식 손을 만드는 것입니다. 또 그 기계식 손보다 더 작은 손을 만들고, 이런 과정을 반복하면 한 쌍의 나노 크기정도의 손이 극소의 기계를 만들 수 있게 됩니다. 페인만은 이 당시에 이렇게 시도했지만, 큰 성공을 거두지는 못했습니다.
Another strategy, in which Richard Feynman had more faith, would be to build the machinery from the bottom up. In his theoretical construction, different substances, such as silicon, are sprayed onto a surface, one layer of atoms after another. Afterwards, some layers are partially dissolved and removed, creating moving parts that can be controlled using an electric current. In Feynman’s vision of the future, such a construction could be used to create an optical shutter for a tiny camera.
리차드 페인만이 더 믿음을 가지고 있는 또 다른 전략은 아래에서 위로 향하는 방식으로 기계를 만드는 것입니다. 그의 이론적인 구조에서, 실리콘과 같은 다른 물질이 표면에 뿌려지며, 원자의 한 층이 다른 표면에 뿌려집니다. 그 후, 원자의 일부 층이 부분적으로 용해되고 제거되어 전류를 사용하여 제어 할 수 있는 움직이는 부분을 만듭니다. 미래에 대한 페인만의 비전에서 이러한 구성물은 작은 카메라용 광학 셔터를 만드는 데 사용될 수 있습니다.
The aim of the lecture was to inspire the researchers in the audience, to get them to test the limits of what they believed possible. When Feynman finally folded up his notes, he looked out at the audience and said, mischievously: “...have a delightful time in redesigning all kinds of familiar machinery, to see if you can do it. And give it 25–30 years, there will be some practical use for this. What it is, I do not know.”
강의의 목적은 연구원에게 가능한 한 믿을 수 있는 한계를 테스트하도록 유도하는 것이었습니다. 페인만이 마침내 그의 노트를 접었을 때 그는 청중을 보고 장난스럽게 말했다. "... 친숙한 모든 기계류를 재설계하는 즐거운 시간을 가지십시오. 그리고 이 작업에 25-30 년을 주십시오. 그러면 이것을 위한 실제적인 사용이 있을 것입니다. 나는 그것이 무엇인지를 알지는 못합니다. "
What neither Feynman, nor the researchers in the audience, knew at the time was that the first step towards molecular machinery had already been taken, but in a rather different way to that predicted by Feynman.
청중 속의 연구원들도 페인만도 그 때 당시에 알지 못했던 부분은 분자 기계를 향한 첫 번째 단계는 이미 시작되었다는 사실이었다. 하지만 페인만이 예측 한 것과는 다소 다른 방식으로 진행되었다.
Mechanically interlocked molecules 기계처럼 서로 맞물린 분자들
In the mid-20th century, as part of efforts to build increasingly advanced molecules, chemists were attempting to produce molecular chains in which ring-shaped molecules were linked together. The person who succeeded would not just create an amazing new molecule, but also a new type of bond. Normally, molecules are held together by strong covalent bonds in which atoms share electrons. The dream was to instead create mechanical bonds, where molecules are interlocked without the atoms interacting directly with each other (figure 1).
20세기 중엽에 점점 더 진화된 분자를 만들기 위한 노력의 한 부분으로, 화학자들은 분자 체인을 만들려고 시도하고 있었다. 이 분자 체인에서 반지 모양의 분자들이 함께 연결된다. 이 일에 성공한 사람은 놀라울 정도의 새로운 분자를 만들었을 뿐 만 아니라, 새로운 유형의 반지 모양의 분자 결합을 만들어내는 데에 성공했다. 일반적으로, 분자들은 강한 전자 결합에 의해 서로 당겨진다. 이러한 강한 한 쌍의 전자 결합에서 분자들은 서로 맞물려진다. 이 과정에서 분자들은 서로 직접적으로 상호 작용하지 않는다.
In the 1950s and 1960s, several research groups reported that their test tubes contained molecular chains, but the amounts they produced were small and the methods so complex that they were of limited use. Progress was regarded more as a curiosity than as functional chemistry. After years of setbacks, many people gave up hope and, in the beginning of the 1980s, the field was beset by weariness. However, the major breakthrough came in 1983. Using an ordinary copper ion, a French research group, led by chemist Jean-Pierre Sauvage, took control of the molecules.
1950년대와 1960년대에, 몇몇 연구 그룹은 분자 체인을 만들었다고 보도했다. 하지만 만들어졌던 양은 매우 작았고 그 분자 체인을 만드는 방식은 너무 복잡해서 사용 범위가 제한적이었다. 이 부분에 진보는 기능적인 화학 보다는 호기심에 의한 것으로 간주되었다. 몇몇 차질이 수년간에 나타나면서, 많은 사람들이 이 분야에 대한 희망을 포기했다. 1980년대 초에, 이 분야는 성과가 나타나지 않은 이유로 침체되었다. 하지만 1983년에 이 분야에 대한 새로운 해결책이 등장한다. 일반적인 구리 이온을 이용해서, 프랑스 연구 그룹이 분자들에 대한 조종을 하는데 성공했다. 이 연구팀은 장 피어 소바주가 주도한다.
Jean-Pierre Sauvage gathers molecules around a copper ion
장 피어 소바주가 구리 이온 주변으로 분자가 모인다.
As so often happens in research, inspiration arrived from a completely different field. Jean-Pierre Sauvage worked with photochemistry, in which chemists develop molecular complexes that can capture the energy contained in the sun’s rays and utilise it to drive chemical reactions. When Jean Pierre Sauvage built a model of one of these photochemically active complexes, he suddenly saw its similarity to a molecular chain: two molecules were intertwined around a central copper ion.
연구에서 자주 그러는 것처럼 이 문제에 대한 영감은 전적으로 다른 분야에서 나왔다. 쟝 피어 소바주는 광화학을 활용했다. 이 광화학에서 화학자들은 복합적인 분자구조를 개발한다. 이 분자구조는 태양 광선에 포함된 에너지를 붙잡을 수 있다. 그리고 이 분자구조는 그 에너지를 화학반응을 일으키기 위해 이용한다. 쟝 피어 소바주는 이러한 광화학적으로 반응하는 복합적인 분자구조의 한 모델을 만들어 냈을 때, 소바주는 이 모델이 분자 체인과 유사하다는 점을 갑자기 발견하다: 두 개의 분자가 중심의 구리 이온 주변으로 맞물려 있었다.
This insight led to a dramatic turn in the direction of Jean-Pierre Sauvage’s research. Using the photochemical complex as a model, his research group constructed one ring-shaped and one crescent-shaped molecule so that they were attracted to a copper ion (figure 1); the copper ion provided a kind of cohesive force that held the molecules together. In a second step, the group used chemistry to weld together the crescent-shaped molecule with a third molecule so a new ring was formed, thereby creating the first link in a chain. The researchers could then remove the copper ion, which had served its purpose.
이러한 깨달음은 그의 연구 방향에 있어 극적인 전환을 이끌어냈다. 광화학의 복잡한 분자구조를 이용함으로써, 소바주의 연구 그룹은 반지 모양의 분자 하나와 초승달 모양의 분자 하나가 구리 이온 주변으로 서로 끌어 당겨지도록 만들었다; 그 구리 이온은 일종의 접착력을 제공했다. 이 접착력이 그 두 분자를 하나로 묶었다. 두 번째 단계에서 그 그룹은 그 초승달 모양의 분자를 세 번째 분자와 붙이기 위해 화학을 이용했다. 이렇게 함으로써 새로운 반지 모양의 분자가 형성되었다. 그리고 이것은 다시 최초의 분자 연결을 만들어 낸다. 그리고나서 연구원들은 그 구리 이온을 제거할 수 있었다. 왜냐하면 그 구리 이온은 일종의 접착제로서의 역할을 다했기 때문이다.
Chemists talk about the yield of a reaction: the percentage of the initial molecules that form the target molecule. In previous attempts to create linked molecules, researchers had at best achieved a yield of a few per cent. Thanks to the copper ion, Sauvage was able to increase the yield to an impressive 42 per cent. Suddenly, molecular chains were more than just a curiosity.
화학자들은 반응의 확률에 관해 말한다: 최초의 분자 연결을 만들어 냈던 초기의 분자의 비율이었다. 연결된 분자를 만들어내기 위한 이전 시도들에서 연구원들은 기껏해야 2-3% 정도의 성공률을 기록했다. 구리 이온을 이용하면서 소바주는 42%라는 놀라운 성공률을 기록한다. 갑자기 분자 체인이 단지 호기심의 대상 그 이상으로 인정받게 된다.
With the help of this revolutionary method, Sauvage reinvigorated the field of topological chemistry, in which researchers – often using metal ions – interlock molecules in increasingly complex structures, from long chains to complicated knots. Jean-Pierre Sauvage and J. Fraser Stoddart (we will return to him soon) are leaders in this field and their research groups have created molecular versions of cultural symbols such as the trefoil knot, Solomon’s knot and the Borromean rings (figure 2).
이러한 혁명적인 방법의 도움으로 소바주는 기하학적인 화학 분야에 다시 생기를 불어 넣게 된다. 이 화학분야에서 연구원들은 종종 금속 이온을 이용하면서 점점 더 복잡한 분자 구조의 분자들을 서로 맞물리는데 성공한다. 이러한 분자구조는 긴 체인에서 복잡한 매듭 정도가 된다. 소바주와 스토타트는 이 분야의 주요한 학자이며, 이들의 연구 그룹은 여러 가지 문화적으로 의미가 있는 상징을 분자 구조로 표현하는데 성공한다.
However, aesthetic molecular knots are a diversion in the story of 2016’s Nobel Prize in Chemistry – back to molecular machinery.
하지만 미학적인 분자 매듭은 2016년의 노벨 화학상 수상 이야기에서 일종의 오락거리였다. 다시 분자 기계로 넘어가보자.
…and takes the first step towards a molecular motor
..... 분자 모터를 만들기 위한 첫발자국을 내딛다
Jean-Pierre Sauvage soon realised that molecular chains (called catenanes, from the Latin word for chain, catena) were not only a new class of molecule, but that he had also taken the first step towards creating a molecular machine. In order for a machine to perform a task, it must consist of several parts that can move in relation to each other. The two interlocking rings fulfilled this requirement. In 1994, Jean-Pierre Sauvage’s research group also succeeded in producing a catenane in which one ring rotated, in a controlled manner, one revolution around the other ring when energy was added. This was the first embryo of a non-biological molecular machine.
소바주는 곧 분자 체인이 새로운 종류의 분자일 뿐 만 아니라 자신이 분자 기계를 만들어 내기 위한 첫 시도를 시작했다는 사실을 알게 된다. 한 기계가 임무를 수행할 수 있기 위해서는 서로와 관계해서 움직일 수 있는 몇몇 부품들이 필요하다. 이 두 개의 맞물리는 반지 모양의 분자는 이러한 요구조건을 충족시킨다. 1994년에 소바주의 연구 그룹은 하나의 체인을 만들어 내는 데 성공한다. 그리고 이 체인에서 반지 모양의 분자구조는 회전한다. 매우 정교한 방식으로. 에너지가 공급될 때 또 다른 반지 모양의 분자 주변을 나머지 반지모양의 분자가 한 번 회전하게 된다. 이것이 최초의 생물적인 분자가 아닌 기계의 최초의 버전이었다.
The second embryo of a molecular machine was produced by a chemist who grew up on a farm without electricity or any modern-day conveniences in Scotland.
분자 기계의 버전 2는 전기도 없는 시골에서 자라난 한 화학자에 의해 만들어졌다. 근대의 기술 혜택을 입지 못한 스코틀랜드 지역 출신이었다.
Fraser Stoddart threads a molecular ring onto a molecular axle
프레이져 스토다트는 한 분자의 축에 반지 모양의 분자를 집어넣는다
As a child, J. Fraser Stoddart had no television or computer. Instead, to occupy himself he did jigsaws, so training a skill that chemists need: recognising shapes and seeing how they can be linked together. He was also attracted to chemistry by the prospect of becoming a molecular artist – sculpting new shapes, ones the world had never seen before.
어렸을 때, 스토다트는 텔레비전이나 컴퓨터가 없었다. 대신에 재미로 퍼즐을 했다. 퍼즐을 맞추는 기술은 화학자들에겐 필수다: 모양을 인식하고 그 모양들이 어떻게 연결되는지를 보는 능력은 화학자들에게 필수다. 스토다트는 분자 예술가가 되는 꿈을 가지게 되면서 화학에 관심을 가지게 되었다. 새로운 분자를 조각하는 것, 그것도 세계가 전혀 보지 못했던 새로운 분자를 만들어 내고 싶어 했다.
When Fraser Stoddart developed one of the molecular creations that is the foundation of 2016’s Nobel Prize in Chemistry, he also utilised chemistry’s potential for designing molecules that are attracted to each other. In 1991, his research group built an open ring that lacked electrons, and a long rod, or axle, that had electron-rich structures in two places (figure 3). When the two molecules met in a solution, electron-poor was attracted to electron-rich, and the ring threaded onto the axle. In the next step, the research group closed the opening in the ring so that it remained on the molecular axle. He had thus, with a high yield, created a rotaxane: a ring-shaped molecule that is mechanically attached to an axle.
스토다트는 2016년 노벨 화학상의 기초가 되었던 분자 구조물 중에 하나를 만들어 냈다. 또한 화학의 잠재성을 활용해서 서로를 끌어당기는 여러 분자들을 설계했다. 1991년에 그의 연구 그룹은 전자들이 없는 개방형의 분자를 만들어 냈다. 동시에 긴 막대 모양과 차축 모양의 분자 구조도 만들어 낸다. 이 두 구조의 분자들은 전자가 풍부한 구조물이다. 그 둘의 분자가 용해물에서 만났을 때, 전자가 부족한 분자는 전자가 풍부한 분자에 끌어 당겨졌다. 그리고 그 반지 모양의 분자는 차축으로 들어간다. 그 다음 단계로, 그 연구 그룹은 그 반지 모양의 열린 부분을 닫아 버린다. 그 반지 모양의 분자가 차축 모양의 분자 안에서 머물 수 있도록 말이다. 그래서 스토다트는 높은 확률로 반지 모양의 분자를 만들어 낸다. 이 분자는 차축에 기계적으로 부착된 분자 구조물이다.
Fraser Stoddart then made use of the ring’s freedom to move along the axle. When he added heat the ring jumped forwards and backwards – like a tiny shuttle – between the two electron-rich parts of the axle (figure 3). In 1994, he could completely control this movement, thereby breaking away from the randomness that otherwise governs movements in chemical systems.
스토다트는 차축을 따라 움직이는 반지 모양의 분자를 활용한다. 그가 이 분자구조물에 열을 가하면 그 반지 모양의 분자는 축 모양의 분자구조에서 전자가 많은 두 부분 사이에서 앞뒤로 이동한다. 마치 아주 작은 셔틀처럼. 1994년에 그는 완전히 이 움직임을 통제할 수 있게 된다. 그래서 화학체계는 움직임을 통제하는 무작위의 원칙에서 벗어날 수 있게 된다.
A lift, a muscle and a minuscule computer chip 엘리베이터, 근육과 극소의 컴퓨터 칩
Since 1994, Stoddart’s research group has used various rotaxanes to construct numerous molecular machines, including a lift (2004, figure 4), which can raise itself 0.7 nanometres above a surface, and an artificial muscle (2005), where rotaxanes bend a very thin gold lamina.
1994년 이래로, 스토다트 연구 그룹은 다양한 반지 모양의 분자가 축에 끼워진 형태의 분자기계들을 수많은 분자 기계를 만들기 위해 이용했다. 2004년의 엘리베이터가 그 한 예인데 0.7 나노 미터의 높이를 스스로 들어 올릴 수 있다. 2005년의 인공적인 근육도 또 하나의 예인데 이 인공 근육에서 축에 끼워진 반지 모양의 분자가 매우 얇은 금으로 된 막을 구부릴 수 있었다.
In partnership with other researchers, Fraser Stoddart has also developed a rotaxane-based computer chip with a 20 kB memory. The transistors on today’s computer chips are tiny, but gigantic when compared to molecule-based transistors. Researchers believe that molecular computer chips may revolutionise computer technology in the same way that silicon-based transistors once did.
다른 연구자들과 함께, 스토다트는 또한 20 kB 메모리를 가진 축에 끼워진 반지 모양의 분자구조에 근거한 컴퓨터 칩을 개발한다. 오늘날의 컴퓨터의 칩의 트랜지스터들은 매우 작다. 하지만 분자 기반 한 컴퓨터 칩에 비하면 거대한 수준이다. 연구자들은 분자 컴퓨터 칩은 컴퓨터 기술을 실리콘 기반 한 트랜지스터가 과거에 했던 것만큼의 혁명을 이루어낼 것이라고 생각한다.
Jean-Pierre Sauvage has also investigated rotaxanes’ potential. In 2000, his research group succeeded in threading two looped molecules together, forming an elastic structure that is reminiscent of the filaments in a human muscle (figure 5). They’ve also built something that can be likened to a motor, where the rotaxane’s ring spins alternately in different directions.
소바주는 또한 축에 끼워진 반지모양의 분자구조를 연구해왔다. 2000년에 그의 연구 그룹은 두 개의 동그라미 모양의 분자를 끼어 넣는데 성공한다. 그래서 인간 근육의 가는 섬유 같은 탄력 있는 구조물을 만들어 낸다. 이들은 또한 모터와 비유될 수 있는 분자구조물도 만들어 낸다. 그리고 여기에서 축에 끼워진 반지 모양의 분자는 다른 방향으로 번갈아가며 회전한다.
Producing motors that continually spin in the same direction has been an important goal for the art of molecular engineering. Many different attempts were made in the 1990s, but first across the line was Dutchman Bernard (Ben) L. Feringa.
같은 방향으로 계속해서 회전하는 모터를 만들어 내는 것은 분자 공학의 기술에 있어 하나의 중요한 목표점이었다. 많은 시도들이 1990년대에 이루어졌다. 하지만 이 시도를 최초로 성공한 사람은 네덜란드인 버나드 페린가였다.
Figure 3. Fraser Stoddart created a molecular shuttle that could move along an axle in a controlled manner. Figure 4. Fraser Stoddart’s molecular lift.
스토다트는 분자 셔틀을 만들어낸다. 이 셔틀은 통제된 방식으로 축을 따라 움직일 수 있다.
Ben Feringa builds the first molecular motors 페린가는 분자 모터를 최초로 만든다
Just like Fraser Stoddart, Ben Feringa was raised on a farm and was attracted to chemistry by its endless opportunities for creativity. As he expressed it in one interview: “Perhaps the power of chemistry is not only understanding, but also creating, making molecules and materials that never existed before…”
스토다트처럼 페린가는 농장에서 성장한다. 그리고 그 농장은 페린가의 창의성을 길러내는 데 무한한 기회를 제공하게 되면서 화학에 관심을 가지게 된다. 그가 표현한 것처럼 “아마도 화학은 힘은 이해일 뿐 만 아니라 전에는 존재한 적이 없는 분자와 물질을 만들어 내는 것이다.....”
In 1999, when Ben Feringa produced the first molecular motor, he used a number of clever tricks to get it to spin in one and the same direction. Normally, molecules’ movements are governed by chance; on average, a spinning molecule moves as many times to the right as to the left. But Ben Feringa designed a molecule that was mechanically constructed to spin in a particular direction (figure 6)
1999년에, 페린가가 최초의 분자 모터를 생산했을 때, 그는 수많은 기술을 이용했다. 그 모터를 한 방향으로 회전시키기 위해서였다. 일반적으로 분자의 움직임은 우연적인 방식으로 통제된다: 평균적으로 분자는 오른쪽으로의 회전을 왼쪽으로 회전하는 만큼 많이 회전한다. 하지만 페린가는 기계적으로 특정한 한 방향으로만 회전하도록 지어진 분자를 개발했다.
The molecule was composed of something that can be likened to two small rotor blades, two flat chemical structures that were joined with a double bond between two carbon atoms. A methyl group was attached to each rotor blade; these, and parts of the rotor blade, worked like ratchets that forced the molecule to keep rotating in the same direction. When the molecule was exposed to a pulse of ultraviolet light, one rotor blade jumped 180 degrees around the central double bond. Then the ratchet moved into position. With the next light pulse, the rotor blade jumped another 180 degrees. And so it continued, round and round in the same direction.
그 분자는 두 개의 작은 회전 날개와 같은 것으로 비유될 수 있는 것으로 구성된다. 두 개의 평평한 화학 구조물인데 두 개의 탄소 원자 사이에 이중 결합으로 연결되어 있다. 메틸 그룹의 화학물질이 각각의 회전 날개에 부착되어 있다: 회전 날개의 부분들이 분자를 같은 방향으로 계속해서 돌아가게 만드는 톱니바퀴처럼 작동했다. 그 분자가 자외선의 파동에 노출될 때, 한쪽 회전 날개는 그 중심의 이중 결합 주변을 180도 이동했다. 그리고나서 그 톱니바퀴는 그 쪽으로 이동했다. 또 한 번의 자외선 파동이 그 분자를 비추었을 때, 그 회전 날개는 또 한 번 180도를 이동했다. 그리고 이런 식의 회전날개의 움직임은 같은 방향으로 계속되었다.
The first motor wasn’t exactly fast, but Feringa’s research group has optimised it. In 2014 the motor rotated at a speed of 12 million revs per second. In 2011, the research group also built a four-wheel drive nanocar; a molecular chassis held together four motors that functioned as wheels. When the wheels span, the car moved forward over a surface (figure 7).
그 최초의 분자 모터는 정확하게 말하면 빠르지는 않았다. 하지만 페린가의 연구 그룹은 그 모터를 최적화시켰다. 2014년에 그 모터는 초당 천 이백만회의 속도로 회전했다. 2011년에 그 연구 그룹은 4개의 바퀴가 있는 나노 자동차를 또한 만들어 냈다; 분자 자동차의 차체는 4개의 모터를 장착했고 이것은 바퀴처럼 작동했다. 바퀴가 회전할 때, 그 차는 앞으로 이동했다.
A molecular motor spins a small glass cylinder
분자 모터가 작은 원통 유리관을 회전 시킨다
In another striking experiment, Ben Feringa’s research group has used molecular motors to spin a 28 micrometre long glass cylinder (10,000 times bigger than the molecular motors). In the experiment they incorporated the motors into a liquid crystal (a fluid with a crystalline structure). Only one per cent of the liquid crystal consisted of molecular motors but, when the researchers started them spinning, the motors changed the structure of the liquid crystal as they span. When the researchers placed the glass cylinder on top of the liquid crystal, it rotated due to the movement provided by the motors (a film of this process can be
downloaded via: www.nature.com/nature/journal/v440/n7081/suppinfo/440163a.html).
또 다른 획기적인 시험에서 페린가의 연구 그룹은 자신들의 분자 모터로 28 마이크로미터 길이의 원통 유리관을 회전시킨다. 이 원통 유리관은 이 분자 모터보다 만 배 정도가 더 크다. 그 실험에서 연구원들은 그 모터들과 액체 크리스탈을 통합시킨다. 연구원들이 분자 모터들을 회전하게 만들었을 때, 액체 크리스탈의 1%가 분자 모터들을 구성했다. 연구원들이 원통 유리관을 액체 크리스탈 위에 올려 놓았을 때, 그 원통 유리관은 그 모터들에 의해 제공된 움직임 때문에 회전했다.
A molecular toolbox to build upon 분자 공구 상자
The groundbreaking steps taken by Jean-Pierre Sauvage, Fraser Stoddart and Ben Feringa in developing molecular machinery have resulted in a toolbox of chemical structures that are used by researchers around the world to build increasingly advanced creations. One of the most striking examples is a molecular robot that can grasp and connect amino acids. This was built in 2013 with a rotaxane as its foundation.
슈바쥬, 스토다트, 그리고 페린가에 의해 취해진 혁명적인 조치들은 전 세계의 연구원들이 점점 더 진화된 창조를 하기 위해 이용되었던 화학적인 구조물로 가득 찬 공구 상자의 역할을 했다. 이 공구 상자 덕분에 전 세계의 수많은 연구원들을 분자 기계를 만들어 낼 수 있었다. 가장 눈에 띄는 예 중에 하나는 분자 로봇이다. 이 로봇은 아미노산을 잡고 서로 연결시킬 수 있다. 이 분자 로봇은 축에 끼워진 반지 모양의 분자를 토대로 해서 2013년에 지어졌다.
Other researchers have connected molecular motors to long polymers, so they form an intricate web. When the molecular motors are exposed to light, they wind the polymers up into a messy bundle. In this way, light energy is stored in the molecules and, if researchers find a technique for retrieving this energy, a new kind of battery could be developed. The material also shrinks when the motors tangle the polymers, which could be used to develop sensors that react to light.
다른 연구원들은 분자 모터를 긴 고분자에 연결시켰다. 그 결과 복잡한 그물 구조의 분자를 만들어 냈다. 분자 모터들이 빛에 노출되면 그 분자 모터들은 그 고분자들을 지저분한 묶음으로 감아 버린다. 이런 식으로 빛 에너지는 그 분자들에 저장된다. 만약 연구원들이 이 에너지를 다시 끌어내서 쓸 수 있는 기술을 발견한다면, 새로운 종류의 배터리가 개발될 수 있을 것이다. 분자 모터들이 고분자들을 엉키게 할 때, 그 물질은 수축한다. 그리고 이것은 빛에 반응하는 센서를 개발하기 위해 이용될 수 있다.
Away from equilibrium – towards a new and vibrant chemistry
평형상태에서 떨어지기 - 새로운 활기찬 화학을 향해
An important part of the development that has resulted in the Nobel Prize in Chemistry 2016 is that researchers have driven molecular systems away from what is called equilibrium. All chemical systems strive for equilibrium – a lower energy state – but this is somewhat of a stalemate. We can take life as an example. When we eat, the body’s molecules extract the energy from the food and push our molecular systems away from equilibrium, to higher energy levels. The biomolecules then use the energy to drive the chemical reactions necessary for the body to work. If the body was in chemical equilibrium, we’d be dead.
위에서 기술된 분자 기계의 발달 중에 중요한 한 부분이 2016년 노벨 화학상이라는 결과를 만들어 냈고, 이것은 연구원들로 하여금 평형상태로 알려진 것들로부터 분자 구조를 멀어지게 만들었다는 점이다. 모든 화학 구조물은 평형상태를 얻으려고 노력한다. 낮은 에너지 상태다. 하지만 이런 상태는 교착상태다. 우리는 생명을 한 예로 들 수 있다. 우리가 먹을 때, 몸의 분자는 그 음식으로부터 에너지를 끌어낸다. 그리고 우리의 분자 구조들을 평형 상태에서 멀어지게 만든다. 즉, 더 높은 에너지 상태로! 생물학적인 분자들은 몸이 작동하도록 만들기 위해 필요한 화학 반응을 일으키기 위해 그 에너지를 이용한다. 만약 몸이 화학적으로 평형상태에 있다면 우리는 죽은 것이다.
Just like the molecules of life, Sauvage’s, Stoddart’s and Feringa’s artificial molecular sytems perform a controlled task. Chemistry has thus taken the first steps into a new world. Time has clearly shown the revolutionary effect of miniaturising computer technology, whereas we have only seen the initial stages of what could result from the miniaturisation of machines. In terms of development, the molecular motor is at about the same stage as the electric motor was in the 1830s, when researchers proudly displayed various spinning cranks and wheels in their laboratories without having any idea that they would lead to washing machines, fans and food processors.
생명의 분자들과 마찬가지로, 소바주의, 스토다트의, 그리고 페린가의 인공적인 분자구조들은 통제된 임무를 수행한다. 화학은 새로운 세계를 창조하기 위한 첫 번째 단계를 시작했다. 시간은 분명이 극소화된 컴퓨터 기술의 혁명적인 결과를 보여주어 왔다. 반면에 우리는 기계의 극소화에서 얻을 수 있는 것들의 초기 버전만을 보았을 뿐이다. 발전의 관점에서 분자 모터들은 전기 모터가 1830년대에 처한 단계와 유사하다. 이 시기에 전기 모터를 발명한 연구원들이 자랑스럽게 자신들의 실험실에서 다양한 회전하는 크랭크와 바퀴를 자랑스럽게 발표할 때, 이들은 이 기술이 세탁기와 선풍기 그리고 음식을 가공하는 조리기구로 발전하게 될지를 알지 못했다.
So, 32 years after Feynman’s visionary lecture, we can still only guess at the thrilling developments ahead of us. However, we do have a definite answer to his initial question – how small can you make machinery? At least 1,000 times thinner than a strand of hair.
그러므로 페인만의 미래에 대한 강의가 있은 32년 후에, 우리는 여전히 우리 미래에 올 환상적인 발전들에 대해 추측만을 할 수 있다. 하지만, 우리는 그의 초기 질문에 명확한 답을 가진다. 즉, 얼마나 작은 기계를 인간이 만들 수 있는가? 최소 머리카락보다 천 배정도 얇은 기계다.
아래 링크는 노벨상 공식 위원회의 사이트입니다. 위의 생각공장의 게시물을 원문 그대로 다운 받으실 수 있습니다. https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2016/popular-chemistryprize2016.pdf 약간의 오역이 있을 수 있어 원문도 같이 올렸습니다.
LINKS AND FURTHER READING
Additional information on this year’s prizes, including a scientific background in English, is available on the website of the Royal Swedish Academy of Sciences, http://kva.se, and at http://nobelprize.org. There, and at http://kvatv.se, you can watch video footage of the press conferences, the Nobel Lectures and more. Information on exhibitions and activities related to the Nobel Prizes and the Prize in Economic Sciences is available at www.nobelmuseum.se.
Book chapter
Sauvage, J.-P., Duplan, V. and Niess, F. (2016) Contractile and Extensile Molecular Systems: Towards
Molecular Muscles. In R. M. Izatt (Ed.) Macrocyclic and Supramolecular Chemistry: How Izatt-Christensen
Award Winners Shaped the Field. (s. 444-464). John Wiley & Sons, Inc.
Articles
Capecelatro, A.N. (2007) From Auld Reekie to the City of Angels, and all the Meccano in between: A Glimpse into the Life and Mind of Sir Fraser Stoddart. The UCLA USJ., 20,1-7.
Stoddart, J.F. (2009) The Master of Chemical Topology. Chem. Soc. Rev., 38,1521-1529.
Weber, L. and Feringa, B.L. (2009) “We Must be Able to Show How Science is Beneficial to Society.” Chimia, 63 (6),352-356.
Feringa, B.L. (2011) Ben L. Feringa. Angew. Chem. Int. Ed., 50, 1470-1472.
Peplow, M. (2015) The Tiniest Lego: a tale of nanoscale motors, rotors, switches and pumps. Nature., 525, 18-21.