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나노기술에 도전한다

2001년 07월 01일

| 글 | 이인식/과학문화연구소장ㆍ |

나노의학은 불치병 치료의 신기원이 될 것이다. 나노로봇이 적혈구 세포 주변을 돌면서 바이러스를 찾아 박멸할 채비를 하고 있다.

1959년 12월 어느 날 미국 물리학회. 리처드 파인먼(1948∼88) 교수는 ‘ 바닥에 많은 여지가 있다’라는 제목의 강연에서, 분자의 세계가 매우 작 은 구조물을 만들어 세울 수 있는 건물터가 될 것이라고 예언한다. 분자 크기의 기계 즉 분자기계의 개발을 제안한 것이다. 그러나 참석자들은 대 부분 농담으로 받아들였다.

에릭 드렉슬러(43)는 1986년 분자기술에 관한 최초의 저술로 평가되는 < 창조의 기관>을 펴낸다. 분자기술은 분자 하나하나를 조종하여 물질의 구 조를 제어하는 기술이다. 분자는 나노(10억분의 1)미터로 측정된다. 따라 서 드렉슬러는 분자기술보다는 나노기술(nano technology)이라는 용어를 즐겨 사용한다. 극미한 분자세계를 우주의 공간처럼 광대한 영역으로 상 상한 파인먼의 선견지명이 드렉슬러에 의해 구체화되었기 때문에, 파인먼 이 나노기술의 아버지라면 드렉슬러는 산파역인 셈이다.

일본 통산성은 1991년 10년간 2억달러를 투입하는 나노기술 연구계획을 발표한 반면에 미국은 유수 기업체들이 분자제조연구소(IMN)를 설립했다. 이듬해 6월 미국 상원의 소위원회에서 30대 후반의 감정인이 엘 고어 의 원과 나노기술에 대해 열띤 일문일답을 주고받았다. 감정인은 물론 드렉 슬러다. 그는 미국의 정책 입안자들이 나노기술에 관심을 가져 줄 것을 촉구했다.

미국 시사주간지 <타임>(1995년 7월17일자)은 21세기의 10대 핵심기술을 커버스토리로 다루면서 나노기술을 빠뜨리지 않았다.

과학기술처는 지난 11월 차세대과학자들에게 연구비를 파격적으로 지급하 는 이른바 ‘창의적 연구과제’를 공개 모집한 결과를 발표했는데, 확정 된 27건 중에는 나노기술 과제가 포함되어 있다. 정부차원에서 나노기술 에 관심을 표명한 것은 이번이 처음이다.

정부도 관심 표명, 최종목표는 어셈블러

나노기술은 두 방향에서 개발이 모색되고 있다. 첫번째 접근방법은 주사 터널링 현미경(STM)이나 원자력 현미경(AFM)으로 물질 표면의 분자 또는 원자를 조종하는 기술이다. 1990년 미국 ABM사의 원자를 배열하여 5나노 미터 높이로 회사 로고를 만들었다. I자는 9개, B와 M자는 각각 13개씩을 사용했다. 이와 같이 STM으로 개가 양떼를 몰 듯이 분자를 몰 수 있게 됨 에 따라 분자를 원하는 곳에 옮겨놓을 수 있게 되었다. 이른바 분자몰이( molecular herding)의 최종목표는 하나의 특정분자를 다른 특정분자에게 로 옮긴 뒤에 이들을 서로 합쳐서 분자기계를 조립하는 데 있다.

올해 들어서는 STM으로 버키볼(bucky ball)을 이동시켜 나노미터 크기의 구조를 조립하는 연구가 성과를 올리고 있다. 60개의 탄소원자로 구성된 축구공 모양의 버키볼을 발견한 공로로 1996년 노벨상을 받은 리처드 스 몰 리가 나노기술연구에 앞장서는 이유이다.

STM과 AFM은 나노기술의 독보적인 개발도구이지만 근본적인 한계를 갖고 있다. 다름아닌 속도 문제이다. 한번에 한개씩 분자를 이동시킬 수 있으 므로 눈으로 볼 수 있을 만큼 큰 물체를 조립하려면 상상을 초월하는 오 랜 시간이 소요될 것이다.

나노기술에 이르는 또다른 길은 자연에 존재하는 분자기계로부터 실마리 를 찾는 접근방법이다. 생물의 세포는 분자기계로 가득 차 있다. 가령 단 백질은 아미노산으로 구성된 분자기계이다. 세포는 단백질 제조회사에 비 유될 수 있다. 세포 안에 있는 리보솜이 유전정보의 지시에 따라 아미노 산(원료)으로 제품(단백질)을 만들기 때문이다. 단백질 생산공장인 리보 솜은 고성능의 나노기계인 셈이다.

나노기술의 궁극적인 목표는 리보솜처럼 사람의 개입없이 자력으로 분자 기계를 만들 수 있는 나노기계를 개발하는 것이다. 드렉슬러는 <창조의 기관>에서 이러한 나노기계를 어셈블러(assembler)라고 명명했다. 전문가 들은 대부분 15년 뒤, 그러니까 2010년 전후에 최초의 어셈블러가 모습을 나타내게 될 것으로 전망하고 있다.

어셈블러의 개발로 나노기술 시대가 개막되면 컴퓨터·제조산업과 의학분 야 등에 혁명이 일어날 것은 불문가지다.

먼저 단백질과 같은 유기분자가 스위치 구실을 하는 나노컴퓨터를 개발하 면 실리콘 반도체를 사용하는 현재의 컴퓨터보다 속도가 빠른 것으로 전 망된다.

드렉슬러에 따르면 나노컴퓨터는 나노기술이 쏟아낼 제품의 보기에 불과 할 뿐이다. 나노기계가 대량으로 보급되면 제조부문에 혁명적인 변화가 올 것 같다. 나노기술로 원자 수준까지 물질의 구조를 제어하여 우리가 상상할 수 없을 정도로 다양한 신제품을 만들게 될 것이기 때문이다. 이 를테면 주위환경을 감지하여 스스로 적절하게 대응하는 지능을 가진 스마 트 물질의 제조가 가능하다. 스마트 페인트, 스마트 옷감 등이 좋은 예이 다. 스마트 옷감의 경우, 얇은 섬유 안에 빛이나 습기 따위를 감지하는 센서, 센서의 자료를 처리하는 컴퓨터, 컴퓨터의 지시에 따라 움직이는 모터 등 나노기계가 들어있기 때문에 날씨나 온도의 변화에 따라 옷감 스 스로 모양과 질감 등을 바꿀 수 있다는 것이다.

신기술로 제조업 주도… 전쟁에 이용도

나노기술이 의학에 미칠 영향은 상상을 불허한다. 질병을 일으키는 바이 러스라 할 수 있다. 이러한 자연의 나노기계를 인공의 나노기계로 물리치 려는 생각이 나노의학의 출발점이다. 바이러스와 싸우는 나노기계는 잠수 함처럼 혈류를 통해 항해하는 나노로봇이다. 이 로봇에는 센서와 컴퓨터 가 부착되어 있으므로 바이러스를 식별하여 즉시 박멸한다. 또한 세포수 복(受複)기계라 불리는 나노로봇은 세포 안으로 들어가서 자동차 수리공 처럼 손상된 세포를 복원한다. 따라서 이론적으로는 나노의학이 치료 불 가능한 질병은 거의 없어 보인다.

낙관론자들은 나노기술을 인간의 굴레인 노화와 사멸까지 미연에 방지하 는 만병통치약으로 여기고 있지만 부정적인 측면이 만만치 않다. 혹시나 나노펑크(nanopunk)의 작품에서처럼 나노기술이 전쟁이나 테러에 쓰인다 면 육안으로 식별이 불가능한 나노병기의 파괴력은 틀림없이 핵무기 못지 않을 테니까.

※ 이 내용은 '한겨레21'에 '과학과 지성' 코너로 연재된 칼럼입니다.