리하르트 에른스트: 현대 화학의 도구 제작자
1991년 10월, 대서양 상공을 비행하던 여객기 조종석에 초대받은 한 스위스 화학자는 무전 메시지를 전달받았다. 그가 노벨 화학상을 수상했다는 소식이었다. 이는 자신의 경력 전체를 다른 사람들이 볼 수 있게 하는 도구를 만드는 데 바친 리하르트 에른스트(Richard Ernst)에게 더할 나위 없이 적절한 전달 방식이었다. 그는 자신에 대해 그 이상의 주장을 한 적이 없다. 그는 자신을 과학자라기보다는 "도구 제작자"라고 겸손하게 표현했는데, 이는 그의 도구가 가능하게 만든 것들을 훨씬 과소평가한 것이었다.
빈터투어의 어린 시절과 삼촌의 화학 약품
에른스트는 1933년 8월 14일 스위스 빈터투어에서 로베르트 에른스트와 이르마 에른스트-브루너의 아들로 태어났다. 그는 상인이었던 할아버지가 1898년에 지은 집에서 자랐는데, 이는 체제 순응자나 다락방에서 조용히 이상한 일을 하는 사람을 만들어내는 스위스의 견고한 연속성을 보여주는 집이었다. 에른스트는 후자였다. 13세 때 그는 세상을 떠난 삼촌이 남긴 화학 수집품을 발견하고 신중함보다는 열정을 가지고 그것을 연구하기 시작하여 부모님을 놀라게 하는 폭발을 일으키기도 했다.
그의 다른 열정은 더 일찍 시작되어 평생 사라지지 않았다. 그는 첼로를 연주했고 한때 작곡을 직업으로 고려하기도 했다. 이 두 가지 관심사는 겉보기만큼 대립하는 것이 아니었다. 둘 다 복잡하게 겹쳐진 신호를 귀나 눈이 읽을 수 있는 것으로 분해하는 연습이었으며, 에른스트는 자신의 직업 인생을 원자핵에서 방출되는 주파수에 대해 바로 그 작업을 수행하는 데 바쳤다.
취리히 연방 공과대학교
그는 1957년 취리히 연방 공과대학교(ETH Zurich)에서 화학 학위를 취득하여 Diplomierter Ingenieur Chemiker(화학 공학사) 자격을 얻었고, 물리화학 박사 과정을 밟아 1962년에 마쳤다. 박사 학위 논문은 핵자기공명(NMR)에 관한 것이었다. 이는 자기장에 놓인 원자핵이 화학적 환경을 반영하는 주파수에서 전파를 흡수하고 재방출하는 현상이다. 원칙적으로 NMR은 모든 분자의 구조를 밝힐 수 있었다. 그러나 1962년 당시 NMR은 감도가 극히 낮아 큰 샘플이 필요했고 측정 속도가 느렸으며, 희석되거나 복잡한 것, 즉 생물학적인 것은 측정할 수 없었다.
배리언 어소시에이츠와 푸리에 변환
1963년 에른스트는 과학자로서 캘리포니아의 배리언 어소시에이츠(Varian Associates)에 입사하여 이 분야를 뒤바꿀 혁신을 이루어냈다. 기존의 NMR은 주파수를 하나씩 천천히 스캔했다. 에른스트의 접근 방식은 짧은 펄스로 샘플을 타격하여 모든 주파수를 한꺼번에 여기시킨 다음, 푸리에 변환을 사용하여 겹쳐진 신호의 혼란을 스펙트럼으로 풀어내는 것이었다. 감도의 향상은 엄청났다. 불가능했던 실험이 일상이 되었고, 미량으로 존재하여 보이지 않던 분자들이 읽을 수 있게 되었다. 배리언에서 그는 혼잡한 스펙트럼을 정리하기 위한 노이즈 디커플링 기술도 개발했다.
푸리에 변환 NMR은 오늘날 화학이 미지의 화합물 구조를 한 계절이 아닌 오후 한나절 만에 결정할 수 있는 이유이며, 자기공명영상(MRI)의 직접적인 조상이기도 하다. MRI는 같은 물리학을 응용하여 절개하지 않고도 살아있는 인체 내부를 들여다보는 기술로 변모시켰다.
제2의 차원
에른스트는 1968년 강사로 ETH 취리히에 돌아와 1970년 조교수, 1972년 부교수, 1976년 물리화학 정교수가 되었다. 그는 물리화학 연구소를 지휘하며 그곳에서 그의 경력의 두 번째 큰 진보인 2차원 NMR과 일련의 새로운 펄스 기술을 개발했다.
푸리에 변환 NMR이 스펙트럼을 빠르게 만들었다면, 2차원 NMR은 그것을 이해 가능하게 만들었다. 정보를 두 개의 주파수 축에 분산시킴으로써 에른스트의 방법은 1차원에서는 절망적으로 혼잡했던 스펙트럼을 풀어냈고, 결정적으로 어떤 원자핵이 어떤 원자핵과 결합되어 있는지, 즉 어떤 원자가 어떤 원자 근처에 있는지 밝혀냈다. 이것이 구조 정보이다. 이것이 NMR을 작은 분자에서 단백질과 핵산으로 넘어가게 했으며, 오늘날 구조생물학이 하나가 아닌 두 가지 위대한 방법을 가지게 된 이유이다.
노벨상과 그 이후의 영예
1991년 노벨 화학상은 에른스트 단독에게 수여되었다. "고해상도 핵자기공명(NMR) 분광법 방법론의 발전에 대한 기여"라는, 매우 중대한 업적에 대한 이례적으로 간결한 수상 이유였다.
그 후 1985년 마르셀 베노이스트상, 1989년 존 갬블 커크우드 메달, 그리고 노벨상 수상 당해에 울프 화학상과 루이자 그로스 호위츠상을 받았다. 2000년에는 타데우시 라이히슈타인 메달, 2004년에는 루마니아 별 훈장을 받았으며, 1993년에는 왕립학회(Royal Society) 외국인 회원으로 선출되었다. 그는 6개 기관에서 명예 박사 학위를 받았으며 미국 국립과학원, 독일 국립과학아카데미 레오폴디나, 러시아 과학 아카데미, 한국과학기술한림원, 방글라데시 과학 아카데미의 회원이었으며, 2002년부터는 에스토니아 과학 아카데미의 외국인 회원으로 활동했다.
티베트 두루마리와 은퇴
에른스트는 1998년에 은퇴했지만 도구 제작자의 습관은 사라지지 않았다. 그는 티베트 두루마리(탕카) 예술의 진지한 수집가였으며, 수동적으로 감상하는 대신 자신이 개발한 기기를 그것에 향하게 하여 안료를 분석하고 물감의 유래와 두루마리의 연대를 특정했다. 음악과 예술은 평생 동안 연구실의 대척점에 있는 존재로 남았다.
그는 마그달레나 킬홀츠와 결혼하여 안나 마그달레나, 카타리나 엘리자베트, 한스-마르틴 발터라는 세 자녀를 두었다.
빈터투어, 2021
리하르트 에른스트는 2021년 6월 4일 고향 빈터투어에서 87세의 나이로 세상을 떠났다. 그의 도구는 지구상의 모든 화학과와 병원 방사선과에서 그보다 더 오래 살아남아 있다. 도구를 만들었을 뿐이라고 주장했던 사람치고는 매우 큰 유산이다.
