How molecules became machines (2016 Nobel Prize in Chemistry)

Press Release

2016-10-05

The Royal Swedish Academy of Sciences has decided to award the Nobel Prize in Chemistry 2016 to

Jean-Pierre Sauvage
University of Strasbourg, France

Sir J. Fraser Stoddart
Northwestern University, Evanston, IL, USA

and

Bernard L. Feringa
University of Groningen, the Netherlands

"for the design and synthesis of molecular machines"

popular-chemistryprize2016.pdf

 

 

 

How molecules became machines

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 miniscule muscles. 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.” 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?

2016 노벨 화학상은 ‘세상에서 가장 작은 기계’로 불리는 분자 기계(Molecular Machines)를 설계하고 합성한 공로를 인정 받은 ‘장 피에르 소바주’ 프랑스 스트라우스부르그대 교수, ‘프레이저 스토더트’ 미국 노스웨스턴대 교수, ‘베르나르트 페링하’ 네덜란드 그로닝겐대 교수가 공동 수상했다.

얼마나 작게 기계를 만들 수 있을까?’ 이 질문은 1950년대 나노기술의 등장을 예측한 공로로 노벨 물리학상을 수상한 물리학자 리처드 파인만이 1984년 광학 강의를 시작하면서 던진 질문이다. 당시 핑크색 카라 티셔츠와 베이지색 바지에 맨발로 강단에 서 있던 그는 청중을 향해 돌아서서는 이렇게 말했다. “아주 작은 크기의 움직이는 부분들로 구성된 기계를 만들 수 있을지, 그 가능성에 대해 이야기해 봅시다.”

당시 파인만은 나노미터(㎚‧1㎚는 10억 분의 1m) 수준의 차원에서 기계를 만들 수 있다고 생각했다. 이미 이런 기계가 자연에 존재하기 때문이다. 그는 코르크스크류처럼 생긴 분자 집합체인 박테리아의 편모를 예로 들었다. 여러 가닥의 편모가 회전하면 박테리아는 앞으로 나아간다. 하지만 (거대한 손을 가진)인간이 전자 현미경을 통해서만 볼 수 있는 작은 기계를 어떻게 만들 수 있을지에 대한 의문은 여전히 풀리지 않았다. 

 

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 miniscule hands can build equally miniscule machinery. This has been tried, said Feynman, but without great success. 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.

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.” 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.

 

첫 번째 방법은 사람의 손보다 작은 한 쌍의 기계손을 만들고, 다시 이 기계손으로 더 작은 기계손을 만들고, 또 다시 더 작은 기계손을 만드는 과정을 충분히 작은 기계를 만들 수 있을 때까지 반복하는 일이었다. 하지만 파인만의 이 같은 시도는 성공하지 못했다.

 파인만이 고안해낸 두 번째 방법은 바닥에서부터 층을 차곡차곡 쌓는 방식으로 기계를 만드는 것이었다. 그는 실리콘 같은 물질을 표면에 분사한 뒤, 그 위에 다른 원자 층을 쌓고, 또 쌓은 뒤 몇몇 층을 부분적으로 녹이거나 제거하면 전류에 의해 움직임을 제어할 수 있는 부분들을 만들 수 있을 것이라는 이론적 예측을 내놨다. 이런 파인만의 이론은 후에 작은 카메라의 광학 셔터를 제작하는 데 활용되기도 했다.

 파인만 강의의 목표는 청중석에 있는 연구자들이 가능하다고 믿는 한계를 스스로 시험하도록 하기 위해 영감을 불어넣는 것이었다. 파인만은 강의를 마친 후 강의노트를 덮으면서 짓궂은 눈빛으로 청중을 향해 이렇게 말했다.

  “여러분이 주변의 모든 익숙한 기계들을 완전히 새로운 방식으로 다시 설계할 수 있을지 시험해보는 즐거운 시간을 보내길 바랍니다. 25~30년 뒤에는 실제로 우리가 상상했던 작은 기계들을 실생활에 사용하고 있을 것입니다. 그게 뭔지는 아직 모르지만.”

 당시에는 파인만도, 청중들도 그때가 분자 기계를 향한 첫 걸음이 이미 떼어졌다는 사실을 몰랐다. 다소 다른 방식이긴 하지만 그 당시 파인만은 분자 기계를 예측한 셈이다.

Mechanically interlocked molecules

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). 

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.

20세기 중반, 화학자들은 응용 분자를 만들기 위한 노력의 일환으로 고리형 분자들을 서로 연결해 만든 분자 체인을 만들기 위해 노력했다. 이에 성공하는 사람은 새로운 분자뿐만 아니라, 새로운 유형의 결합을 창조하는 셈이 되는 터였다. 일반적으로 분자들은 분자를 이루는 원자들이 서로 전자를 공유하는 강한 공유 결합에 의해 연결된다. 당시 화학자들의 꿈은 원자들이 직접 전자를 공유하지 않고도 서로 맞물려 연결될 수 있는 기계적 결합을 만드는 일이었다(그림 1).

1950년대와 1960년대 들어 몇몇 연구 그룹들이 시험관에서 분자 체인을 만드는 데 성공했다고 발표하기 시작했다. 그러나 그 양은 매우 적었고, 합성 방법 또한 매우 복잡해 기계로 활용하기에는 제약이 많이 따랐다. 이런 성과는 응용 화학보다는 단순한 호기심에 기초한 결과로 치부됐다. 그로부터 몇 년간 정체기를 겪으면서 대부분의 연구자들은 희망을 잃고 포기하기에 이르렀다. 결국 1980년대 초반 들어 이 분야는 사장되는 분위기가 맴돌았다.

그러나 1983년, 한 과학자가 중요한 돌파구를 찾았다. 프랑스의 화학자 장 피에르 소바주가 이끈 연구 그룹이 평범한 구리 이온을 이용해 분자들을 조정하는 데 성공한 것이다.

 

Jean-Pierre Sauvage gathers molecules around a copper ion

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 JeanPierre 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. 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.

연구에서 흔히 있는 일처럼, 소바주는 문제 해결의 실마리를 완전히 다른 분야에서 얻었다. 광화학자였던 그는 화학반응에 필요한 에너지를 태양의 방사선에서 얻을 수 있도록 해 주는 분자 집합체를 개발하던 중이었다. 광화학적 활성을 지닌 집합체를 완성했을 때쯤 소바주는 불현 듯 이 집합체에서 분자 체인과 비슷한 모습을 발견했다. 바로 중앙의 구리 이온을 중심으로 2개의 분자가 서로 엮여 있는 모습이었다.

이 순간의 통찰은 소바주의 연구 방향을 드라마틱하게 전환하는 계기가 됐다. 그는 고리 모양의 분자와 반원 모양의 분자를 각각 만들고 이 두 분자를 구리 이온의 전기적 힘에 의해 끌려가도록 만들었다(그림 1). 두 분자가 구리 이온 주변에서 서로 맞물려 만나도록 한 것이다. 그 다음 또 다른 반원 모양의 분자를 반대 방향으로 끌어와 먼저 놓여 있던 반원형 분자와 맞붙여 새로운 고리를 만들었다. 그리고는 중심에 있던 구리 이온을 제거했다. 이로써 2개의 고리형 분자가 서로 맞물린 분자 체인이 처음 탄생했다.

 

 

Figure 1. Jean-Pierre Sauvage used a copper ion to interlock molecules using a mechanical bond.

 

 

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. 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). However, aesthetic molecular knots are a diversion in the story of 2016’s Nobel Prize in Chemistry – back to molecular machinery.

이로써 화학자들은 이 반응의 수율에 관심을 갖기 시작했다. 수율은 재료가 되는 반응물(구리 이온, 반원형 분자, 고리형 분자)이 서로 반응해 최종 산물(분자 체인)이 되는 확률과 같다. 구리 이온 덕분에 소바주는 수율을 무려 42%까지 높일 수 있었다. 이때부터 분자 체인은 호기심 이상의 중요한 연구 대상으로 떠올랐다.

이후 지속적인 연구를 통해 소바주는 ‘위상 화학’ 분야에 활기를 불어 넣었다. 위상 화학을 연구하는 화학자들은 구리 같은 금속 이온을 이용해 긴 체인부터 복잡한 매듭까지 매우 복잡한 구조 안에서 분자들을 서로 맞물리도록 만드는 데 속속 성공했다. 소바주는 프레이서 스토더트와 함께 이 분야를 이끌면서 ‘세잎 매듭’, ‘솔로몬의 매듭’, ‘보로민 고리’ 등 문화적 상징을 나타내는 다양한 형태의 분자 체인을 만들어냈다(그림 2).

 

Figure 2a. Jean-Pierre Sauvage has created a molecular trefoil knot. This symbol is found in Celtic crosses, runestones, depictions of Thor’s hammer (Mjölnir) and, in Christianity, it symbolises the Holy Trinity. b. Fraser Stoddart has produced molecular Borromean rings. The Italian Borromeo family used the symbol on their shield. It is also found on Old Norse picture stones and has symbolised the Holy Trinity. c. Stoddart and Sauvage have made a molecular version of Solomon’s knot, a symbol of King Solomon’s wisdom. It has been frequently used in Islam and is found in Roman mosaics.

 

 

…and takes the first step towards a molecular motor

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. 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.

얼마 지나지 않아 장 피에르 소바주는 ‘캐터네인’으로 불리는 이 분자 체인이 새로운 종류의 분자일 뿐만 아니라, 분자 기계를 만드는 첫 단계가 된다는 사실을 알아챌 수 있었다. 어떤 기계가 특정 동작을 수행할 수 있도록 만들기 위해서는 이 기계가 서로 상대적인 움직임을 할 수 있는 부분들로 구성이 돼야 한다. 2개의 서로 맞물린 고리들은 이 조건을 만족하는 셈이다. 1994년, 소바주팀은 에너지를 가하면 하나의 고리형 분자가 다른 고리형 분자에 끼워진 채로 그 고리를 따라 공전할 수 있는 캐터네인을 만드는 데도 성공했다. 이런 움직임은 인위적으로 조정이 가능했다. 이것이 바로 비생물학적인 첫 분자 기계의 원형이었다.

이후 두 번째 분자 기계는 전기나 현대식 편의시설이 없는 스코틀랜드의 한 농장에서 자란 화학자에 의해 개발됐다.

 

Fraser Stoddart threads a molecular ring onto a molecular axle

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. 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. 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.

어린 시절 J 프레이서 스토더트는 TV나 컴퓨터가 없었다. 대신 그가 차지했던 건 직소 퍼즐이었다. 그 직소를 가지고 놀던 경험 덕분에 그는 화학자에게 필요한, 분자의 형태를 인식하고 공간상에서 어떻게 분자들이 서로 연결될 수 있을지 가늠하는 능력을 기를 수 있었다. 스토더트는 이전에는 세상에 없던 새로운 모양을 조각하는 ‘분자 작가’가 되기로 마음을 먹으면서 화학자의 길을 걷게 됐다.

1991년 스토더트팀은 먼저 전자가 부족한 열린 고리를 만들고, 반대로 전자가 풍부한 긴 막대 또는 축 구조를 만들었다(그림 3). 그리고 이 두 분자를 용액 안에서 만나도록 하자, 상대적으로 전자가 부족한 열린 고리형 분자가 전자가 풍부한 막대형 분자 쪽으로 끌려갔고, 고리형 분자는 막대형 분자에 꿰어져 들어갔다. 이 상태에서 연구팀은 고리형 분자의 열린 부분을 닫아 완전한 고리로 만들었다. 아주 높은 수득률로 얻어지는 이 분자 체인은 ‘로탁세인’으로 불린다.

이후 스토더트는 고리형 분자가 막대형 분자에 꿰어진 채로 자유롭게 움직이도록 만들었다. 그가 열에너지를 가하면 이 고리는 막대의 양 끝쪽에 있는 전자가 풍부한 부분 사이에서 왕복하며 위아래로 움직였다(그림 3). 1994년에 이르러 스토더트는 무작위로 움직이던 이 움직임도 미세하게 조정할 수 있도록 만드는 데 성공했다.

Figure 3. Fraser Stoddart created a molecular shuttle that could move along an axle in a controlled manner.

 

 

A lift, a muscle and a miniscule computer chip

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. 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.

1994년 이래 스토더트팀은 다양한 로탁세인을 이용해 수많은 분자 기계를 만들어냈다. 대표적인 것이 ‘분자 리프트’다(2004년, 그림 4). 이 리프트는 역시 로탁세인으로 만든 인공 ‘분자 근육’(2005년)을 활용해 스스로를 지표면에서 0.7㎚ 떨어진 높이까지 끌어올릴 수 있다.

다른 연구자들과의 협업을 통해 스토더트는 로탁세인 기반의 20㎅(킬로바이트)의 데이터를 저장할 수 있는 ‘분자 컴퓨터 칩’도 만들었다. 오늘날 컴퓨터 칩의 트랜지스터는 매우 작은 편이지만, 분자 기반의 트랜지스터에 비교하면 엄청나게 거대하다. 연구자들은 이 분자 컴퓨터 칩이 실리콘 트랜지스터가 과거에 그랬던 것처럼 컴퓨터 기술에 혁명을 불러올 것으로 굳게 믿고 있다.

Figure 4. Fraser Stoddart’s molecular lift.

 

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. 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

한편 장 피에르 소바주 역시 로탁세인에 대해 연구해왔다. 2000년, 소바주 팀은 2개의 고리형 분자를 서로 엮어 인체 근육 조직처럼 탄력을 가진 구조체를 만드는 데 성공했다(그림 5). 연구팀은 이후 분자 모터에 연결하면 록타세인의 고리가 서로 다른 방향으로 회전할 수 있도록 하는 구조체를 만들기도 했다. 계속해서 한 방향으로 회전할 수 있는 분자 모터는 오래도록 분자공학 분야의 매우 중요한 목표였다. 1990년대에 다양한 방식의 시도가 있었지만, 처음으로 성공에 이른 사람은 독일의 화학자 베르나르드 L 페링하 이였다.

Figure 5. Jean-Pierre Sauvage has threaded two molecular loops together, so that the structure can stretch and contract.

 

 

Ben Feringa builds the first molecular motors

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…” 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)

프레이저 스토드다트가 그랬던것처럼, 베르나르드 페링하는 자신의 창의성으로 무궁무진한 화학의 기회를 잡아 자신의 분야를 개척하는 데 성공했다. 페링하는 한 인터뷰에서 이렇게 말했다. “화학이 가진 힘은 이해 뿐만 아니라 새로운  분자를 만들고, 존재하지 않던 물질을 만드는 데 있다.” 페링하가 처음 분자 모터를 만든 1999년, 그는 분자 모터를 한쪽으로 회전시키기 위해 영리한 몇 가지 아이디어를 사용했다. 일반적으로 분자의 움직임은 확률에 의해 결정된다. 때문에 보통 회전하는 물체는, 왼쪽과 오른쪽으로 회전할 확률이 반반이다. 하지만 페링하는 한쪽 방향으로만 회전하는 분자를 기계적으로 합성하는 데 성공했다(그림 6).

Figure 6. When Ben Feringa created the first molecular motor, it was was mechanically constructed to spin in a particular direction. His research group has optimised the motor so that it now spins at 12 million revs per second.

 

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. 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).

모터는 두 개의 날개와 이를 잇는 두 개의 화학적 결합으로 구성돼 있다. 화학적 결합은 탄소 원자 간의 이중결합이다. 각 날개에는 메틸기(methyl group)가 하나 붙어 있다. 이  메틸기는 날개 부분의 한 구성요소로, 마치 톱니바퀴가 맞물려 돌아가는 것처럼 움직여, 두 바퀴가 한 방향으로 회전하게 작용한다. 이 모터는 자외선을 쬐면 한쪽 날개가 중간의 이중결합 주위로 180도 회전한다. 그 결과 톱니바퀴인  메틸기의 위치도 바뀌게 된다. 이 상태에서 한번 더 자외선을 쬐면 또 다시 180 도 회전한다. 이 작업을 반복하면 한 방향으로 계속 회전하는 모터가 된다.

처음 만든 모터는 그리 빠르지 않았지만 페링하 연구 그룹은 모터의 성능을 개선하는 데 성공했다. 2014년에는 초당 1200만 번 이상 회전할 수 있는 모터를 만들었다. 2011년에는 네 바퀴가 달린 나노 자동차를 만들기도 했다. 이 나노 자동차는 바퀴 역할을 하는 네 개의 모터로 구성됐다. 바퀴를 회전시키면 나노 자동차는 앞으로 움직였다. (그림 7 참조)

Figure 7. Ben Feringa’s four-wheel drive nanocar.

 

 

A molecular motor spins a small glass cylinder

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: http://www.nature.com/nature/journal/v440/n7081/ suppinfo/440163a.html).

베르나르드 페링하의 또 다른 놀라운 실험은 그가 28㎛(마이크로미터, 1㎛는 100만 분의 1m) 정도 길이의 유리 실린더(나노 모터보다 1만 배 더 큰)를 나노 모터를 이용해 회전시켰다는 것이다.  나노 모터는 액체 유리의 1%에 불과했지만, 이들을 회전시키자 나노 모터가 회전하며 유리 액체 전체의 구조를 바꿨다. 연구자들이 이 유리 실린더를 액체  결정 위에 올려놓자, 모터가 회전하며 결정을 회전시켰다.

 

A molecular toolbox to build upon

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. 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. 

장 피에르 소바주, 프레이저 스토더트, 베르나르드 페링하의 획기적인 생각 덕분에 전 세계의 과학자들이 점점 더 창의적인 생각을 할 수 있는 분자 도구를 만들어냈다. 그중 가장 놀라운 결과는 아미노산을 잡아서 연결시킬 수 있는 분자로봇이다. 이것은 로탁세인을 기반으로 2013년 만들어졌다.

또 다른 연구자들은 고분자와 분자 모터를 연결시키켜 촘촘한 그물을 만들려고  노력하고 있다. 분자 모터에 빛을 쬐면, 그것이 고분자를 회전시켜 마구잡이로  꼬인 구조를 만들 수 있다. 이런 방식으로 빛 에너지를 분자에 저장할 수 있는데, 과학자들이 저장된 에너지를 다시 복원하는 방법을 개발한다면 새로운 배터리를 개발할 수 있다. 모터가 고분자를 얽히게 만들 때 일어나는 수축 현상에 반응하는 빛 센서를 만드는 데 이 물질을 적용할 수도 있다.

 

Away from equilibrium – towards a new and vibrant chemistry

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.

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 electric trains, washing machines, fans and food processors. 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.

2016 노벨 화학상을 받은 연구에서 주목할 점은 이것이 ‘평형(equilibrium)’ 이라고 불리는 상태로부터 분자를 멀어지게 만든 연구라는 것이다. 모든 화학 시스템은 평형을 향해 달린다. 평형은 자유 에너지가 낮은 상태로, 일종의 교 착상태다. 여기서는 생명을 예로 들어 보겠다. 우리가 음식을 먹으면, 우리 몸 속의 분자는 음식에서 에너지를 빼앗아 우리의 분자 시스템을 높은 에너지 상태로, 즉 화학적 평형을 벗어난 상태로 만든다. 생체 분자는 높은 에너지 상태로 에너지를 저장해, 우리 몸에서 정말로 에너지가 필요한 곳에서 이 에너지를 사용한다 . 만약 우리 몸이 화학적 평형 상태로 계속 유지된다면 우리는 죽고 말것이다.

생명체의 분자가 그랬던것처럼, 소바주, 스토더트, 페링하가 만든 인공 분자 시스템은 에너지를 조절할 수 있다. 화학이 완전히 새로운 세계로 첫 발을 내 딛은 것이다. 시간이 흐르며 작아진 컴퓨터가 놀라운 위력을 보여주는 것을 이미 지켜본 반면, 아주 작은 기계가 가져올 변화는 아직 초기 단계다. 개발의  측면에서 보면 분자 모터는 1830년대 개발된 전기모터와 동일한 수준이다. 이 때 당시에 과학자들은 실험실에서 돌아가는 크랭크와 바퀴를 보며 만족하곤했는데, 그 누구도 이것이 세탁기, 전철, 조리 기구 등에 사용되리라고는 상상하지 못했다.

파인만의 예언같은 강의가 있은지 32년이 지난 후에도, 우리는 단순히 앞으로 있을 환상적인 발견을 예측할 수 밖에 없는 처지다. 그러나 우리는 그가 처음 던진  질문에 이제는 다르게 대답할 수 있다. 얼마나 작은 기계를 만들 수 있을까? 최소한 머리카락보다 1000배는 가느다란 기계를 우리는 이제 만들 수 있다.