로버트 컬: 탄소로 만든 축구공을 발견한 분광학자
로버트 컬(Robert Curl)은 경력의 대부분을 마이크로파 및 적외선 분광학을 통해 불안정한 분자들의 진동을 연구하며 보냈으며, 이는 화학 학계 밖에서는 거의 알려지지 않은 작업이었습니다. 그러던 1985년 9월, 11일간의 연구 과정에서 빌린 레이저 장치와 질량 분석기의 뜻밖의 데이터 피크를 통해 발견한 분자는 너무나 대칭적이어서 발견이라기보다 설계된 것처럼 보였으며, 이는 11년 후 그에게 노벨상을 안겨주었습니다. 어린 시절 화학 실험 세트에 있던 질산 병으로 어머니의 도자기 난로를 망가뜨렸던 소년은 결국 탄소가 무엇이 될 수 있는지를 새롭게 정의했습니다.
화학 세트를 가진 목사의 아들
컬은 1933년 8월 23일 텍사스주 앨리스(Alice)에서 태어났습니다. 감리교 목사였던 아버지의 선교 활동으로 가족은 텍사스 남부와 남서부 지역을 자주 옮겨 다녔습니다. 9살 때 선물 받은 화학 세트는 집 안의 물건을 망가뜨리기는 했지만 그의 인생 방향을 결정지었습니다. 그는 샌안토니오의 토머스 제퍼슨 고등학교(Thomas Jefferson High)를 졸업한 뒤 라이스 인스티튜트(Rice Institute)를 대학으로 선택했습니다. 그가 밝힌 바에 따르면, 화학과도 좋았지만 학비 면제와 미식축구팀의 영향도 컸다고 합니다. 1954년 학사 학위를 받은 후, 그는 버클리로 건너가 케네스 피처(Kenneth Pitzer)의 지도하에 이실록산 결합각의 적외선 분광학을 연구하며 박사 학위를 받았습니다. 이후 하버드대에서 E. B. 윌슨(E. B. Wilson)과 함께 마이크로파 분광학을 이용한 분자의 회전 장벽을 연구하는 박사 후 과정을 밟았습니다. 1958년 그는 젊은 교수진으로 라이스 대학에 돌아와 떠나는 교수의 장비와 대학원생들을 물려받았고, 그곳에서 평생을 보냈습니다.
분광학 분야에서의 수십 년
거의 30년 동안 컬의 실험실 연구는 염소 이산화물과 같은 자유 라디칼과 작은 불안정 분자들의 마이크로파 및 적외선 분광학에 집중되었습니다. 이는 분자가 빛을 흡수하고 방출하는 미세하고 초미세한 세부 사항을 통해 분자 구조를 이해하려는 정밀하고 기술적이며 화려하지 않은 과학이었습니다. 이는 과학자가 신호가 이론대로 작동하지 않을 때를 감지하도록 훈련하는 엄격한 계측 작업이었습니다. 그 세심한 습관은 그 누구도 예상치 못한 방식으로 중요하게 작용했습니다.
새로운 형태의 탄소를 발견한 11일
1985년 9월, 영국 화학자 해럴드 크로토(Harold Kroto)는 컬의 동료 리처드 스몰리(Richard Smalley)가 반도체 클러스터 연구를 위해 만든 레이저 기화 장치를 빌리기 위해 라이스 대학에 왔습니다. 그는 적색거성의 탄소 풍부한 환경을 재현하여 긴 탄소 사슬을 생성하고자 했습니다. 컬은 크로토, 스몰리, 대학원생 제임스 히스(James Heath)와 션 오브라이언(Sean O'Brien)과 함께 연구에 합류했습니다. 강렬한 레이저 펄스로 흑연을 기화시킨 결과 그들은 탄소 사슬을 얻었지만, 질량 분석기에는 예상치 못한 결과가 나타났습니다. 정확히 60개의 탄소 원자로 이루어진 클러스터에 해당하는 압도적인 피크와 70개 원자의 더 작은 피크였습니다. 그렇게 비활성적이고 두드러진 숫자는 열린 사슬 구조가 아닌 닫혀 있고 대칭적이며 화학적으로 안정한 새장 형태임을 암시했습니다. 이어지는 11일 동안 연구팀은 데이터와 일치하는 유일한 기하학적 형태가 육각형과 오각형으로 이루어진 축구공 모양임을 밝혀냈습니다. 이는 건축가 벅민스터 풀러(Buckminster Fuller)가 자신의 측지선 돔에 사용했던 패턴과 같았습니다. 그들은 이 분자를 벅민스터풀러렌(buckminsterfullerene)이라 이름 지었습니다. 컬의 구체적인 공헌은 신호를 선명하게 만든 탄소 기화 조건을 최적화하고 구조를 확정하는 데 도움을 준 분광 분석에 있었습니다. 이 발견은 풀러렌과 나중에 이어진 탄소 나노튜브라는 완전히 새로운 탄소 화학 분야를 열었으며, 1996년 컬은 풀러렌 발견에 대한 공로로 크로토, 스몰리와 함께 노벨 화학상을 공동 수상했습니다.
수상 이후
컬은 그 후의 행보에 대해 솔직했습니다. "노벨상을 받은 후에는 과학적 권위자가 되거나, 새로운 과학 분야에 대한 아이디어를 가질 수 있다"라고 말하며 후자를 선택했습니다. 그는 실험실을 DNA 유전자형 분석 및 서열 분석 장비와 이후 양자 폭포 레이저를 기반으로 한 광음향 추적 가스 센서로 전환했습니다. 이는 그의 분광학 훈련 정신을 이어받은 응용 계측 과학이었습니다. 그는 또한 노벨상 수상자들에게 흔히 요구되는 기관 내 멘토링 역할을 수행하며 라이스 대학 러벳 칼리지(Lovett College)의 초대 마스터를 역임했습니다. 노벨상 발표 후 라이스 총장이 무엇을 원하느냐고 물었을 때, 컬의 대답은 그답게 소박했습니다. 매일 자전거로 출근하기 때문에 사무실과 실험실 근처에 자전거 거치대를 설치해 달라는 것이었습니다. 그는 2008년 74세의 나이로 교수직에서 은퇴하며 명예 교수가 되었고, 미국 국립과학원 및 미국 예술 과학 아카데미 회원으로 선출되었으며 알렉산더 폰 훔볼트 시니어 미국 과학자상과 영국 왕립화학회 100주년 메달 등 많은 영예를 안았습니다.
일상에 기반한 사생활
컬은 1955년 조넬 휘플(Jonel Whipple)과 결혼하여 약 70년에 가까운 결혼 생활 동안 두 자녀를 키웠습니다. 동료들은 그를 거창한 선언보다는 매일 자전거 출근, 라이스 대학의 '브리지 여단(Bridge Brigade)'과 함께하는 주간 브리지 게임 등 꾸준한 습관을 가진 사람으로 기억합니다. 이는 풀러렌이 화면에 나타나기 전 30년 동안 분광학 실험실에서 그를 지탱했던 참을성 있고 반복적인 세심함과 같은 기질이었습니다.
왜 로버트가 천재로 불리는가
컬의 노벨상은 번뜩이는 이론적 천재성이 아니라 더 좁고 훨씬 모방하기 어려운 자질 덕분이었습니다. 질량 분석기에서 발견된 하나의 예상치 못한 피크가 전체 학계가 놓친 무언가를 의미한다는 것을 알아차리는 숙련된 인식 능력 말입니다. 이는 영감을 통한 추측이 아니라 수십 년간의 화려하지 않은 분광학적 기초 연구를 통해 쌓아 올린 전문가적 패턴 인식의 산물입니다. 컬 본인은 구조를 밝혀낸 11일간의 질주를 크로토, 스몰리, 히스, 오브라이언과의 진정한 팀워크로 돌렸으며, 노벨 위원회 또한 단일한 통찰력이 아닌 '그들의 발견'이라는 집단적 공로로 평가했습니다. 솔직한 반론도 명확히 할 가치가 있습니다. 벅민스터풀러렌은 모든 참여자의 증언에 따르면 완전히 다른 실험을 하던 중 발견된 행운의 결과물이었으며, 컬은 홀로 선 선구자가 아니라 세 명의 동등한 노벨상 수상자 중 한 명이었습니다. 그가 '천재'라는 칭호를 얻게 된 것은 통상적인 의미의 낭만적 천재성과는 거리가 멉니다. 대신, 데이터의 이상 징후가 노이즈가 아닌 새로운 형태의 물질임을 실시간으로 알아볼 수 있게 했던 계측 정밀도에 대한 평생의 훈련이 그를 만든 것입니다.
유산
벅민스터풀러렌은 풀러렌 화학부터 탄소 나노튜브에 이르기까지 나노기술의 탄소 재료 분야를 열었으며, 2010년 라이스 대학에 지정된 국가 역사 화학 유적지는 그 발견이 일어난 장소를 기념합니다. 컬은 2022년 7월 3일 휴스턴에서 88세의 나이로 별세했습니다. 그는 유명한 과학자라기보다, 탄소가 이전에 알려지지 않았던 형태를 드러냈을 때 적절한 장비와 통찰력을 가지고 그 자리에 있었던 분광학자로 기억됩니다.
