1. 개요
SI 접두어 중 나노(10-9)를 따서 나노미터 단위, 즉 1 마이크로미터(100만 분의 1m. 즉 천 분의 1mm) 보다도 작은 초소형 기계를 지칭하는 개념. 나노봇(Nanobot), 나나이트(Nanite)라고 부르기도 한다.SF에나 등장하는 허구라고 생각하기 쉽지만 인간을 비롯한 생물의 체내에는 단백질로 구성된 나노머신인 효소가 가득하며, 미생물이나 정자의 섬모는 나노모터의 일종이다. 즉 나노머신은 엄연히 실존한다. 다만 아직 인간이 과학기술을 이용해 창조해낸 인조 나노머신이 없을 뿐이다.
맨해튼 계획에 참여한 과학자 중 한 명이자 저명한 이론물리학자였던 리처드 파인만이 1959년에 이렇게 말한 게 시초였다.
"아주 작고 서로의 모습을 본뜨며 동시에 작동하는 수많은 공장들을 제작하고 싶습니다. 물리학의 원리를 생각하면 분자 단위로 조작하는 것이 가능합니다. 이것은 자연을 거스르는 것이 아닙니다; 이건 가능한 일입니다; 그저 우리가 너무 커서 하지 못한 것이죠" (I want to build a billion tiny factories, models of each other, which are manufacturing simultaneously. . . The principles of physics, as far as I can see, do not speak against the possibility of maneuvering things atom by atom. It is not an attempt to violate any laws; it is something, in principle, that can be done; but in practice, it has not been done because we are too big.)
관련 지식이 있는 사람들은 그림을 보면 알겠지만 기계 크기가 거의 분자 수준이다. 이 정도 스케일에서 기계가 작동하려면 물리학적 혹은 기계공학적 원리 말고도 화학적 원리의 영향도 아주 크게 받을 것이다. 게다가 이 기계가 해줘야 하는 일은 생물학의 영역. 현대과학의 집합체 같은 기술이다.
그래서 제작될 때 세 가지 방식을 고려할 수 있다. 하나는 점진적 축소 제작의 원리로, 인간이 손으로 쉽게 제작할 정도로 작은 기계를 만들고, 그 기계는 마찬가지로 자신이 쉽게 제작할 정도로 작은 크기의 기계를 만들고, 그 기계가 다시 작은 기계를 만드는 식으로 언젠가 분자 크기의 기계를 만드는 것이다. 두 번째는 인공세포 창조 원리로,[1] 실제로도 암모니아나 지방 유기 화합물을 통해 기초적인 세포막 정도는 구현할 수 있듯이, 그런 화학 공정을 통해 프로그래밍이 가능한 무기물 형태의 인공세포를 구현하고, 그 인공세포로 점점 더 복잡한 구조의 나노로봇으로 진화시켜 만드는 것이다. 하지만 이 두 가지 방식 모두 아직 현실적으로 실행하기엔 어렵다. 마지막 세번째는 그나마 실행 가능성이 높은 분자조립 방식이다. 여러 자재들을 엮어 원하는 기계나 건축물을 만들 수 있듯이, 분자를 엮어 원하는 기능을 하는 기계를 만드는 것이다. 실제로 구현한 방식으로는 아래의 카테네인과 로탁세인을 참조.
실용화될 시 인류 문명에 혁신적인 변화를 가져다 줄 것으로 예상되는 만큼 수많은 가상의 세계를 다루는 매체에서 심심치 않게 등장하고 있으며, 대개 넘사벽 내지 통상의 기술과 격을 달리하는 개념으로 다뤄지곤 한다. 이것이 몸안에 들어가면 초인적으로 힘이 세지고, 재생력이 생기고, 모습까지 변하는 무안단물급의 모습을 보여주며 실현만 된다면야 딱히 틀린 묘사도 아니다.
정확하게 말하자면 단지 사람이 만들지 못했을 뿐, 생명은 이미 유사한 물건을 활용하고 있다. 근육의 액틴-미오신 체계나 세포 내 분자 수송이 대표적인 예. 실제로 세포의 호흡에 사용되는 효소들 중 하나인 ATP 합성 효소는 전기 자극을 가하면 로터가 돌아가는데, 이 조그마한 기계가 돌아가는 걸 확인할 수 있다
2016년 노벨 화학상 수상 대상자인 장피에르 소바주(프랑스), 프레이저 스토더트(영국/미국), 베르나르트 페링하(네덜란드)가 분자 기계 개발을 한 공로로 수상을 받았는데 이들이 나노 머신의 미래를 연 셈.
그레이 구는 통제 불가능한 나노머신이 재난을 불러일으킬 수 있다는 가정이다.
그냥 만들어진 목적만 하는 수준의 나노 단위 기관이 아닌, 단순하더라도 조작해 일[2]을 시키는 것이 가능한 기계장치가 만들어진다면 사전에 제도적으로 할당된 작업과는 다르게 악용될 위험성이 있기에 충분히 제한되어야 한다는 소리가 나온다.
2. 나노 기술
나노 기술의 기반이 되는 분자 단위의 물체를 기계적으로 연결한 구조물의 총칭을 기계적으로 맞물린 분자 구조(Mechanically Interlocked Molecular Architectures, MIMs)라고 한다.2.1. 카테네인
Catenane, 총체적으로 화학적으로 결합되지 않은 두 개의 배위자를 결합한 분자다. 기계로써 기능을 가지게 하려면 배위자 두개를 금속 원자 하나와 광화학적으로 결합해 킬레이트 구조인 기계적인 분자를 만들어야 한다. 자유롭게 운동하는 부분이 있으면서 결합이 떨어지지 않는 분자 구조며 분자 체인이라고 생각해도 된다. 이 구조를 만들 수 있다면 체인을 연쇄적으로 이어 가동 가능한 분자크기 단위의 구조물을 만들 수 있다.
처음으로 합성할 당시, 각 리간드인 dpp(2,9-diphenyl 1,10-phenanthroline)를 구리 이온으로 연결해 Cu(dpp)2 로 합성한다음 12-crown-4로 열린 dpp를 닫아 카테네인을 합성했다.[A] 3년후에는 12-crown-4 대신, 2,2’-bipyridine과 루테늄 이온간 결합인 Ru(bipy)3와 dpp를 합성해 카테네인 계량이 이루어졌다.[4]
장피에르 소바주 스트라스부르 대학 ECPM 교수가 1983년 합성.[A]
2.2. 로탁세인
Rotaxane, 화학적으로 결합되지 않은 두 개의 분자를 기계적으로 결합해 하나의 분자를 만듦. 자유롭게 운동하는 부분이 있으면서 결합이 떨어지지 않는 분자 구조. 이 분자는 막대기에 고리 하나가 끼어있는 모양으로 막대기 끝이 막혀 있어 고리가 막대기 끝과 끝을 왔다 갔다 운동할 수 있다. 기하학적 구조의 분자는 다양한 분야에 활용될 수 있다. 예컨대 막대기 사이에 고리가 낀 모양의 '로탁세인' 분자를 사람이 제어해 한쪽 끝은 온(ON), 다른 한쪽 끝은 오프(OFF)로 명령하면 스위치로 쓰일 수 있다.
스위칭 작용에 대한 연구에서 π 전자가 catechol에 있을때, 전자를 비충분 배위자 loop인 bipyridyl에서 축적이 가능(π-stacking)하도록, 배위자 dibenzo30crown10(DB30C10)가 amine과 polyether loop으로 연결된 배위자쌍인 cis-diamine로 이루어진 이양이온성 플레티넘 복합체 배위자를 2,2’ bipyridyl가 감싸는 구조가 고안되었다.[B]
슈옌 해리슨, 이안 토마스 해리슨 syntex research 연구원이 1967년 최초로 고안.[7]
스위칭 작용과 왕복 운동이 가능한 기계로써의 로탁세인을 프레이저 스토더트 미국 노스웨스턴대 교수가 1991~1994년 고안및 합성.[B]
3. 나노과학
4. 나노머신 개념이 나오는 가상의 작품
5. 관련 문서
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| 핵이론 | 맨해튼 계획(베테-파인만 방정식) | ||||
| 양자물리론 | 양자역학(헬만-파인만 정리) 양자정보과학(양자컴퓨터의 공리) | ||||
| 응집이론 | 초유동체 | ||||
| 행적 및 활동 | 행적 · 활동 | ||||
| 소속 | 로스 앨러모스 국립 연구소 · 코넬 대학교 · 캘리포니아 공과대학교 | ||||
| 관련 학자 | 폴 디랙 · 한스 베테 · 존 폰 노이만 · 줄리어스 로버트 오펜하이머 · 엔리코 페르미 · 도모나가 신이치로 · 줄리언 슈윙거 · 프리먼 다이슨 · 머리 겔만 · 스티븐 울프럼 · 피터 쇼어 | ||||
| 출판 | 출판 기록 · 파인만의 물리학 강의 | ||||
| 기타 | 파인만 알고리즘 · 파인만 포인트 · 확률컴퓨터 · 확률미적분학 · 경로적분/응용 · 나노머신 · STS-51-L · 트리니티 실험 · 파인마늄 | ||||
[1] 미생물도 따지고 보면 세포라는 의미에서, 나노로봇도 따지고 보면 로봇으로 만든 세포라고도 할 수 있다.[2] 자가 증식, 물질 조작, 분해, 인체의 기작 활성화[A] C.O. Dietrich-Buchecker, J.P. Sauvage et al. Une Nouvelle Famille de Molecules : Les metallo Catenane., Tetrahedron Lett. 24, 5095-5098 (1983)[4] J.C. Chambron, J.P. Sauvage., A macrocyclic ligand Incorporating both 2,2’-bipyridyl and a 2,9-diphenyl 1,10-phenanthroline fragment: reciprocal control of one site by complexation of the other site to a transition metal., Tetrahedron Lett. 27, 865-868 (1986)[A] C.O. Dietrich-Buchecker, J.P. Sauvage, et al. Une Nouvelle Famille de Molecules : Les metallo Catenane., Tetrahedron Lett. 24, 5095-5098 (1983)[B] A. E. Kaifer, J. F. Stoddart et al. A chemically and electrochemically switchable molecular shuttle. Nature 369, 133–137 (1994).[7] I. T. Harrison, S. Harrison, J. Am. Chem. Soc. 89, 22, 5723 (1967)[B] A. E. Kaifer, J. F. Stoddart, et al. A chemically and electrochemically switchable molecular shuttle. Nature 369, 133–137 (1994).