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제목 4강 컴퓨터와 화학
작성자 관리자 작성일 2017.12.14 18:02 조회 91

 

카오스

마스터

클래스

  컴퓨터와 화학
  강연자 : 김지환 교수(서울대 화학부)
 

 

이 세상의 모든 현상은 근본적인 물리법칙의 지배를 받는다. 핵과 전자로 이루어진 원자, 그 원자로 이루어진 분자와 분자의 화학반응 또한 물리법칙의 지배를 받아야 한다. 그렇다면 기본적인 미시적 물리법칙에 근거하여 화학결합 및 화학 반응을 실제로 어떻게, 얼마나 설명할 수 있을까? 본 강연에서는 이를 일반인의 눈높이에서 설명해보고자 한다. 

 

■ 강연순서
(1) 분자구조의 측정(1)(영상1)
(2) 분자구조의 측정(2)(영상2)
(3) 화학연구의 도구: 분자반응성의 규명(영상3)
(4) 화학연구의 도구: 분자구조와 반응성의 이론적 예측(영상4)

 

 

■ 강연자 : 김지환 교수(서울대 화학부)

김지환 교수는 서울대학교에서 이학사 학위 (1995년, 화학), 스텐퍼드 대학에서 이학박사학위(2002년, 물리화학)를 취득하였다. 버클리대학에서 3년간의 박사후 연구원으로 활약한 후 2005년에 고려대학교 화학과에서 교수직을 시작하였다.  2013 년에 서울대 화학과로 이직하여 나노미터스케일에서 분자와 빛의 상호작용메커니즘을 연구해 오고 있다.

 








 

 

 

 

 

 

(질문)

· 원자와 결정의 관계는 어떻게 되며, 결정의 예로 무엇이 있을까요?

(답변) 결정이라는 말은 여러분들이 제일 잘 알고 있는 결정은 소금 결정입니다. 소금 결정이나 금속 결정의 경우에는 원자-원자-원자의 간격이 동일하고 위, 아래, 옆의 간격으로 봤을 때 정확하게 똑같은 모양의 원자 배치가 있는 금속물질을 결정(crystal)이라고 말합니다. 이 각 위치들에 같은 종류의 원자나 이온이 오는 경우를 결정이라고 합니다. 그렇다면 분자로 만들어진 결정은 뭐라고 얘기를 하냐면, 각 점 위에 같은 분자가 같은 방향을 가지고 배치돼 있을 때 분자로 만들어진 결정이라고 합니다. 단백질 구조를 만들 때 이런 결정을 만들고 이런 결정으로부터 엑스선 회절로부터 얻는 정보는 단백질과 단백질간의 거리 및 안에 있는 원자의 배열입니다. 

 

 

(질문)

· 분자 하나하나를 살펴보려면 어떤 방법을 써야 하나요?

(답변) 분자 하나를 보려면 분자 하나의 크기보다 더 뾰족한 탐침을 만들어야 하겠지요. 그래서 맨 끝에는 원자가 하나 있고 그다음에는 원자 두 개, 세 개 있는 이런 세상에서 가장 뾰족한 바늘을 만들어야 아래쪽에 있는 원자 하나보다 약간 큰 분자의 구조를 더듬을 수 있습니다. 사람들이 실험적으로 알아낸 사실은, 이렇게 뾰족하지 않고 뭉툭하더라도 맨 끝에 나와 있는 원자는 단 하나일 확률이 높고, 따라서 기하학적으로 뾰족하지 않더라도 평평한 바닥면의 분자에서 볼 땐 언제나 끝에 나와 있는 원자가 하나 있기 때문에, 그렇게 걱정할 필요가 없이 기하학적으로 커도 끝에 있는 원자 하나가 영상을 측정하는데 쓰일 수 있다는 것입니다. 

 

 

(질문)

· 원자가 이동하는 방식에 있어서 양자역학 효과를 보이는 사례가 있나요?

(답변) 있습니다. 있는데 많지는 않아서 화학연구를 하시는 분들이 발견을 하는 정도로 흔하지는 않고요. 그 예를 몇 개 들면, 화학반응에 참여하는 제일 가벼운 원자인 수소 원자가 X라는 원자와 결합을 해오고 있다가 주변에 있는 Y라는 원자와 결합을 할 때, 이 경우 고전역학으로는 수소원자가 위치를 옮겨간다고 생각할 수 있지만 양자역학적으로는 그 두 상태 사이에 파동함수가 퍼져 있다고 생각을 할 수 있습니다. 수소원자와 같이 가볍고 작은 원자의 이동을 하는데 관여하는 화학반응에는 실제 양자역학적인 효과가 보입니다. 두 번째로는 약간 큰 분자의 예를 들면, 광합성이라는 것이 있습니다. 광합성은 아주 간단히 말씀 드리면, 빛에너지를 받아서 광합성에 관여하는 분자가 있습니다. 바닥상태에 있던 분자를 들뜬 상태로 만들고 요만큼의 에너지를 내보내면 빛을 내니까 쓸모가 없고, 요만큼의 에너지를 화학에너지로 변환을 해야 합니다. 그러면 들뜬 상태에 있는 분자가 바닥상태로 떨어지는데 잘 안 떨어지도록 만들어야 되겠지요. 그런데 엑스선결정을 통해서 이런 광합성에 관련된 분자를 조사를 해보니까 들뜬 상태에서 바닥상태로 전이가 일어나지 못하도록 분자 구조가 디자인돼 있고 이것은 순수한 양자역학적인 효과이고 중요한 예가 될 것 같습니다. 

 

 
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