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버키볼: 우주에서 발견된 축구공 분자 목록

조회 : 4655 | 2010-07-27

우주 망원경 스피처, ‘버키볼’ 발견




우주 망원경 스피처가 우주 공간에서 발견한 축구공 분자 (자료 제공: NASA)




며칠 전에 과학자들이 미국 항공우주국의 우주 망원경 스피처를 통해 우주 먼지 구름 속에서 버키볼이라는 별명을 가진 물질을 발견했습니다. 이 물질은 탄소 원자 60개로 만들어진 분자인데요, 우주 공간에서 이렇게 큰 물질이 관측된 것은 처음 있는 일입니다. 이번에 버키볼을 발견한 연구팀의 대표는 캐나다 웨스턴 온타리오 대학교의 장 카미 교수입니다. 카미 교수는 버키볼을 찾는 것을 목표로 연구한 것은 아니었으며, 우연히 신호를 포착하게 되었다고 말했습니다. 이 물질에 버키볼이라는 별명이 붙은 것은 이 물질의 구조 때문입니다. 유명한 건축가 버크민스터 풀러(Buckminster Fuller)가 설계한 돔과 축구공을 닮았기 때문에 ‘버크민스터’와 ‘공(ball)’을 합해서 버키볼(buckyball)이라고 부르게 되었습니다. 사실 이번에 탄소 70개로 이루어진 물질도 함께 발견되었는데요, 이 물질은 버키볼의 친척쯤 된다고 할 수 있겠습니다. 버키볼처럼 축구공 모양이 아니라 한 쪽으로 살짝 길어진 럭비공 모양을 하고 있거든요. 공식적으로는 모두 버크민스터플러렌 또는 플러렌이라고 불립니다. 이번 주에는 버키볼(플러렌)과 화학결합에 대해 알아보겠습니다.





*알아보기*
- 화학결합이란 무엇인가요?
- 버키볼이란 무엇인가요?
- 동소체란 무엇인가요?




화학결합이란 무엇인가요?
세상에는 참으로 많은 종류의 물질이 있습니다. 여러분이 세상에 태어나기 전부터 있어왔던 물질이 훨씬 많겠지만 그 이후에 만들어진 물질도 있습니다. 지금 이 순간에도 지구 위의 어느 연구실에서 어떤 새로운 물질이 처음으로 세상에 등장하고 있을지 모를 일입니다. 새로운 물질은 계속해서 생기겠지만, 이 모든 물질을 이루고 있는 원자들의 종류는 인공적인 것까지 합해도 120가지를 넘지 않습니다. 그렇다면 몇 종류 되지도 않는 원자들이 어떻게 그렇게 여러 가지 물질을 만들어낼 수 있는 걸까요? 그것은 바로 원자들이 ‘화학결합’을 하기 때문입니다. 어떤 종류의 원자든지 원자핵과 전자를 갖고 있는데요, 원자핵에 들어 있는 양성자와 전자의 숫자에 따라 원자의 종류가 달라집니다. 우리는 각기 다른 종류의 원자들을 ‘원소’라는 말로 구별합니다(‘따끈따끈 과학 24. 원자와 원소’를 참고하세요). 어떤 원소인지에 따라 원자들이 아주 다양하게 결합해서 여러 종류의 물질이 만들어집니다. 경우에 따라서는 혼자 있는 것이 좋아서 아무 원자와도 결합하지 않는 것도 있습니다. 하지만 대개의 경우 결합을 하면 더 안정해집니다. 물질의 종류가 너무 많기 때문에 어떤 물질이 어떤 결합을 통해 만들어졌는지 지금 여기서 일일이 다 살펴볼 수는 없습니다. 대신 우리가 날마다 먹고 사는 소금과 물에 대해서만 알아보겠습니다. 둘 다 비교적 간단한 물질이지만 서로 다른 종류의 결합을 하고 있기 때문에 적절한 예가 되리라 생각합니다.








(사진) 물질은 원자들의 화학결합을 통해 만들어진다 (cc) by Chor lp




물은 산소(O) 원자 하나가 두 개의 수소(H) 원자가 합해져서 만들어진 물질입니다. 산소와 수소 원자는 둘 다 전자를 더 갖고 싶어 합니다. 각자 모자란 전자를 채우기 위해서는 힘을 합해야 하지요, 즉 서로 전자를 내놓고 결합합니다. 전자를 공유하는 결합이기 때문에 이런 결합을 공유결합이라고 합니다. 앞에서 축구공 분자에서 ‘분자’라는 말을 썼는데, 여러분도 물 분자라는 말을 많이 들어봤을 것입니다. 분자란 공유결합으로 만들어진 물질의 가장 작은 단위를 말합니다. 물은 우리와 워낙 친숙하고 가까운 물질이기 때문에 쉽게 물의 특성을 여러 개 떠올릴 수 있을 것입니다(‘따끈따끈 과학 31. 나를 물로 보지마-물’을 참고하세요). 어떤 물질이 물의 성질을 모두 갖기 위해서는 반드시 물 분자로 존재해야 합니다. 산소 원자 하나와 수소 원자 둘이 공유결합을 해서 만든, 산소도 아니고 수소도 아닌 새로운 물질 H2O 하나가 바로 물 분자 하나인 것입니다. 그러므로 아무리 많은 양의 물이 있다고 해도 모두 같은 물 분자들일 뿐입니다.








(사진) 거대한 나이아가라 폭포의 물도 우리가 마시는 물도 모두 같은 물 분자들로 이루어진다 (cc) by flipkeat




버키볼이란 무엇인가요?
두 가지 화학결합에 대해서 간단하게 알아봤습니다. 이제 버키볼에 대해 알아볼 차례입니다. 앞에서도 이야기했듯이 버키볼은 탄소로만 이루어진 공 모양의 물질입니다. 다섯 개의 탄소 원자로 이루어진 5각형 고리와 여섯 개의 탄소 원자로 이루어진 6각형 고리가 마치 축구공처럼 결합하고 있습니다. 탄소 원자 총 60개로 만들어졌기 때문에 화학식으로는 C60이라고 쓰며, 분자의 크기는 지름이 나노미터 수준으로 아주 작습니다. 1970년에 일본 화학자 오자와 교수가 버키볼의 존재를 예측했는데, 실제로 버키볼이 만들어진 것은 그보다 뒤인 1985년입니다. 미국의 스몰리와 컬, 영국의 크로토가 버키볼을 만든 주인공들인데, 후에 그 공로를 인정받아 1996년 노벨화학상을 수상하였습니다. 분자를 이루고 있는 탄소 원자의 개수는 다르지만 버키볼과 비슷한 분자들이 나중에 여럿 만들어졌습니다. 이들을 모두 플러렌 또는 버크민스터플러렌이라고 부릅니다. 이 이름도 버키볼과 마찬가지로 건축가 버크민스터 플러의 이름에서 따왔습니다. 플러렌이 사람들의 관심을 끄는 것은 단지 구조가 특이하기 때문만이 아니라, 그 구조로부터 매우 쓸모있는 성질을 나타내기 때문입니다. 과학자들의 연구에 따르면 플러렌은 분자의 중간에 공간이 있어서 금속을 넣을 수 있는데, 알칼리 금속을 내포한 플러렌은 유기물 초전도체보다 높은 온도에서 초전도성을 띤다고 합니다. 또 분자가 매우 단단하고 안정한 구조를 하고 있기 때문에 앞으로 신소재로써의 사용 가능성이 활짝 열려있다고 합니다.








(사진) 안에 금속 원자를 내포한 플러렌 모형 (자료 제공: NASA)




동소체란 무엇인가요?
버키볼 또는 플러렌은 탄소로만 이루어진 물질이라고 했습니다. 그런데 탄소로만 이루어진 물질이 이것만 있는 것은 아닙니다. 여러분이 잘 알고 있다시피 흑연도 다이아몬드도 모두 탄소로 이루어진 물질입니다. 흑연에 있는 탄소 원자와 다이아몬드에 있는 탄소 원자는 분명히 같은 탄소 원자입니다. 그러나 흑연과 다이아몬드의 값을 비교해보십시오. 정말 하늘과 땅 차이라고 할 수 밖에 없을 정도로 큰 차이가 납니다. 어떤 물질을 이루고 있는 원자의 종류가 중요한 것이 아니라 그 물질이 어떤 물질인지가 중요하기 때문입니다. 즉 아무리 똑같은 탄소 원자로 이루어졌다 하더라도 어떤 물질로 존재하느냐에 따라서 그 성질과 가치가 달라지는 것입니다. 이렇게 같은 원소로 되어있으나 서로 다른 물질을 동소체라고 부릅니다. 흑연, 다이아몬드, 그리고 여러 가지 플러렌은 동소체입니다. 산소(O2)와 오존(O3)도 같은 산소 원자로 이루어진 동소체입니다. 이밖에도 황과 인 동소체 등이 있습니다. 동소체가 있는 물질은 한 가지 종류의 원자들로만 이루어져 있기 때문에, 즉 같은 원소로 이루어져 있기 때문에 홑원소 물질입니다.








(사진) 다이아몬드와 흑연은 동소체이다 (cc) by rmrayner & All-seeing Cuttlefish




*오늘의 중요 용어정리*
[버키볼]
탄소 원자 60개로 이루어진 축구공 모양의 분자로 플러렌이라고도 한다. 1985년에 처음으로 실험실에서 합성되었다. 2010년 7월 우주 망원경 스피처에 의해 우주 공간에서도 발견되었다. 구조적인 안정성과 초전도성 등 특성 때문에 신소재로써의 여러 가지 사용 가능성에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

[동소체]
같은 원소로 이루어졌으나 결합방식이나 형태가 달라서 다른 분자로 존재하는 물질을 말한다. 즉 구성 원소는 같지만 다른 물질이기 때문에 서로 다른 성질을 갖는다. 산소 원자로 이루어진 동소체로는 산소와 오존이 있으며, 탄소 원자로 이루어진 동소체로는 흑연과 다이아몬드, 플러렌 등이 있다.




*더 찾아보아요*
☆ 책으로 읽어보아요.
- 폴링이 들려주는 화학결합 이야기 - 최미화 지음, 자음과모음
- 만화 과학 교과서 2. 화학, 생물 - 고윤곤 지음, 스콜라



*한걸음 더!*
☆ 지금까지 우주 공간에서 발견된 물질들은 어떤 것들인지 알아보세요.
☆ 공유결합과 이온결합 이외에 어떤 화학결합이 있는지 알아보고, 각 결합의 특징을 알아보세요. 어떤 물질들이 어떤 화학결합을 통해 이루어졌는지도 알아보세요.
☆ 여러 가지 탄소 동소체들의 구조와 특징을 알아보세요.




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