'원뿔형 교차점은 화학?' 김상규 교수님께 묻다!

'과학자 릴레이 인터뷰' 5. 김상규 교수편

 

여러분은 "원뿔형 교차점"이라고 하면 무엇이 떠오르시나요? 원뿔형 교차점에 관한 내용을 소개하고 이 궁금한 비밀을 알려주실 과학자 인터뷰를 진행하기에 앞서 저는 마치 시험을 앞둔 것 같은 마음으로 미리 사전 조사를 하였는데요. 제가 조사한 바로는 "원뿔형 교차점"은 화학 반응의 핵심 개념이며 오랫동안 학계에서 이론적으로만 예측되었다고 합니다. 그런데 이 핵심적인 개념이 국내 연구진에 의해 실험적으로 알 수 있게 되고 이 연구 결과가 세계 최고 권위의 과학 전문지인 "네이처 케미스트리" 지의 주요 논문으로 게재되었다고 하는데요. 바로 그 국내 연구진인 KAIST 화학과 김상규 교수님 연구실을 방문하였습니다.

 

약속을 정하고 시간에 맞추어 원뿔형 교차점을 증명해내셨다는 카이스트의 김상규 교수님을 인터뷰하였습니다. 예상한 바대로 교수님 방에는 전문적인 책들이 빼곡히 꽂혀있고 교수님께서는 마치 제게 강의를 해주시듯 제 질문에 대해 하나하나 자세히 흥미롭게 잘 설명해주셨답니다. 보이시나요? 이제 막 중등 과학에서 화학의 기초를 배우고 있는 저에게 열심히 설명해주시는 교수님의 눈빛!! +,.+ 저는 교수님의 설명을 열심히 들으면서도 교수님의 어린 시절이 어떠하셨는지 궁금했답니다.

 

Q1. 과학자의 꿈은 어떻게 키우게 되셨나요?

 

저는 지금 생각해보니 어릴 적부터 줄곧 과학자라는 꿈을 가져왔던 것 같습니다. 어릴적에도 누군가 저에게 꿈을 물어보면 항상 과학자라고 대답을 했습니다. 다른 사람들이 하지 않지만 의미 있는 일을 하는 것이 더 훌륭하다고 생각했습니다. 그 이후 과학자라는 꿈이 바뀐 적은 단 한번도 없었던 것 같습니다.

 

Q2. 현재 어떤 연구를 진행하고 있나요?

 

저는 현재 화학의 여러 분야 중 물리화학을 다루고 있습니다. 물리화학은 양자역학에 기초하여 화학반응을 매우 근본적으로 보는 학문이라고 할 수 있습니다. 물리화학의 발전이 단기간에 실생활에 이용되기는 어려울 수 있으나 훗날 물리화학에 대한 지식의 확산은 더 큰 영향을 가져다줄 수 있습니다.

 

Q3. 과학자로서의 이상과 현실에서 차이가 존재하나요?

 

과학자의 연구는 흥미로 진행되는 경우가 대부분입니다. 하지만 현실에서는 그 연구가 실생활에 얼마나 이용될 수 있는지, 경제에 얼마나 도움이 되는지 등을 과학자들에게 요구합니다. 즉 과학자로서의 이상이 과학과 자연에 흥미를 가지고 장기적인 학문을 연구하는 것이라면 현실에서는 경제적 요건에 초점을 맞추게 된다는 것이지요.

  

Q4. 연구주제에 대해 계획과 실행단계에서 크게 달라지는 점들이 있나요?

  

과학자들이 연구하는 과정에서 계획과 실행단계는 항상 달라집니다. 자신이 예상한 대로만 결과가 나온다면 새로운 것을 발견하기가 어렵습니다. 자신이 예상한 것과 다른 결과가 나왔을 때 이를 증명하기 위해 새로운 이론과 실험사실이 나오는 과정에서 과학자들은 흥미를 느끼고 이러한 것들이 과학자들이 열정적으로 연구하는 계기가 되는 것입니다. 과학자들은 오히려 계획과 실행단계에서의 차이를 반기고 좋아합니다.

  

Q5. 과학자가 되기 위해 지녀야 할 자질은 어떤 것들이 있나요?

  

끊임없는 호기심, 포기하지 않는 끈기, 흥미가 필요하다고 생각합니다. 이 중 흥미가 가장 중요합니다. 과학자들이 무조건 돈을 쫒아서는 안 됩니다. 과학자들이 흥미를 가지고 연구하여 돈이 자신을 쫓게 하는 것이 바람직하다고 봅니다. 돈과 명예, 세속을 쫓지 않고 흥미와 끈기를 가지고 과학자로서의 초심을 잃어서는 안 된다고 생각합니다.

  

Q6. 교수님 청소년 시절은 어떠셨나요? 과학을 좋아하는 학생이셨나요? 

 

저는 청소년 시절 때 책을 많이 읽었습니다. 제가 청소년 때에는 인터넷도 많이 발달하지 않았던 때여서 책으로 과학을 많이 접했었습니다. 또한, 어렸을 때에도 과학에 대한 열정은 있었던 것 같습니다.

   

Q7. 과학 분야에서도 화학 분야를 연구하시게 된 특별한 계기가 있으신지요?

  

저는 대학교 2학년 때 분야를 선택하였습니다. 그때 당시, 저는 화학을 선택할까 물리를 선택할까 한참을 고민하다가 화학과 물리를 모두 접할 수 있는 물리화학을 택했습니다.

  

Q8. 원뿔형 교차점에 대한 연구와 의학은 밀접한 관계가 있다고 하는데 특별히 어떤 점이 있는가요? 

 

원뿔형 교차점은 쉽게 이야기하자면 화학반응의 운명이 결정되는 지점이라고 할 수 있습니다. 의학과 관련을 짓자면 약을 만드는 데 있어서 미세한 구조변화를 통해 약의 기능을 제어할 수 있게 됩니다. 하지만 원뿔형 교차점은 고급정보에 속하므로 실생활에 적용되기까지는 오랜 시간이 걸릴 것입니다.

 

화학반응이 일어나는 다차원 위치에너지 곡면에서 두 개의 서로 다른 전자상태가 중첩되는 지점이 원뿔형 교차점(conical intersection) 이다. 빛에 의해 일어나는 대부분의 화학반응에서는 이러한 원뿔형 교차점을 통해 반응이 진행되며, 효율적인 촉매반응 등을 위해 필수적으로 존재하는 자연이 선택한 매우 효율적 화학반응 경로라고 볼 수 있다. 다원자분자에서 복잡한 핵 간의 움직임이 연루된 다차원적 양자상태를 실험적으로 규명하는 것은 매우 도전적으로 받아들여지고 있다.

  

Q9. 이론적으로만 존재했던 원뿔형 교차점을 증명하는 데에 어떠한 어려움이 있으셨나요?

  

수많은 사람이 원뿔형 교차점을 증명하려고 했었지만 모두 실패했었습니다. 저희 역시 약 5년 동안 관련 연구를 진행해 오면서 원뿔형 교차점을 증명할 수 있는 실험적 방법을 발견한 것입니다. 결코, 쉬운 연구는 아니었습니다. 생각하는 문제점을 풀기 위해서 계속 노력할 것입니다.

 

고립된 분자에 특정에너지를 가진 레이저를 쫴주면 황(노란색)과 메틸기(CH3)가 분해되는 반응이 시작된다. 특정양자상태에서는 두 개의 전자상태가 깔때기 모양을 가지고 중첩되는 지점이 형성되고 이를 원뿔형 교차점(conical intersection)이라고 한다. 이 원뿔형 교차점에서는 두 개의 전자상태가 양자역학적으로 섞이게 되고 이것이 공명 현상으로 나타난다. 최종 생성물에서의 상대적 수율에 큰 영향을 미치게 되고, 아울러 반응 제어의 새로운 방법론을 제시해 주고 있다.

 

Q10. 앞으로의 계획을 말씀해 주신다면?

 

앞으로 정말 열심히 노력하여 제가 연구하는 분야에 조금이라도 기여할 수 있도록 하는 게 제 계획입니다. 또한, 제가 중요하게 생각하는 문제점을 풀기 위해서 계속 노력할 것입니다.

 

Q11. 마지막으로 과학자를 꿈꾸는 청소년들에게 한 말씀 해주십시오.

 

현실만 쫓기보다는 자신의 꿈을 쫒을 수 있으면 좋겠습니다. 현실을 무시할 수는 없지만, 과학에 흥미를 갖는 청소년들이 더 많아졌으면 하는 바람입니다. 또한, 사회가 자신에게 주는 명예보다는 자기가 자신에게 주는 명예가 더 소중하다는 말을 하고 싶습니다.

 

청소년 기자인 저에게 "원뿔형 교차점은 화학반응의 운명이 결정되는 지점"이라며 어려운 이론을 쉽게 말씀해주신 김상규 교수님, 그리고 흥미가 가장 중요하다는 말씀 감사합니다.

 

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