접착테이프와 흑연에서 태어난 그래핀…노벨상, 가임·노보셀로프의 ‘금요일 실험’ 재조명

노벨상(The Nobel Prize)이 23일 공식 X 계정을 통해 2010년 노벨 물리학상 수상자인 안드레 가임(Andre Geim)과 콘스탄틴 노보셀로프(Konstantin Novoselov)의 그래핀 발견 일화를 소개하며, 자유로운 탐구와 실험 정신이 과학의 새로운 장을 연 사례를 다시 조명했다.

노벨상은 이날 게시물에서 두 과학자가 연구 프로젝트의 일환으로 매주 금요일 평소에는 시간을 내기 어려운 새로운 아이디어를 탐구하곤 했다고 소개했다. 그러던 어느 금요일, 흑연과 접착테이프를 이용한 실험에서 새로운 물질이 탄생했고, 그것이 바로 그래핀(graphene)이었다고 밝혔다.

그래핀은 탄소 원자가 벌집 모양의 육각형 격자로 배열된 물질로, 두께가 원자 한 층에 불과한 2차원 물질이다. 흑연은 이러한 그래핀 층이 수없이 쌓여 형성된 물질이며, 두 과학자는 흑연 결정에 일반 접착테이프를 붙였다 떼어내는 과정을 반복하는 이른바 ‘기계적 박리법’을 통해 점차 얇은 탄소층을 분리해 냈다. 노벨위원회는 이 방법이 결국 한 원자 두께의 그래핀을 얻는 데 결정적인 역할을 했다고 설명한다.

두 사람이 그래핀을 처음 분리하고 그 특성을 연구한 것은 2004년이다. 당시까지 원자 한 층 두께의 결정성 물질은 안정적으로 존재하기 어렵다고 여겨졌지만, 가임과 노보셀로프는 그래핀이 실제로 존재할 수 있음을 실험적으로 보여주고 그 독특한 물리적 특성을 밝혀냈다.

그래핀은 두께가 극도로 얇으면서도 강도가 높고, 전기와 열을 잘 전달하며, 대부분의 빛을 통과시키는 특성을 지닌 것으로 알려졌다. 노벨위원회는 그래핀의 발견이 2차원 물질에 대한 새로운 연구 분야를 열었으며, 양자물리학 연구뿐 아니라 전자소자와 신소재 개발 등 다양한 분야의 가능성을 확대했다고 평가했다.

이 발견의 배경으로 알려진 ‘금요일 실험(Friday evening experiments)’도 이번 게시물의 핵심이다. 가임과 노보셀로프는 정규 연구와 별도로 새로운 아이디어를 자유롭게 시험하는 시간을 가졌고, 대부분의 실험은 성공으로 이어지지 않았지만 그 과정에서 예상하지 못했던 성과가 나왔다.

가임은 노벨상과의 인터뷰에서 이러한 실험 방식에 대해 “성공하지 않는 경우가 대부분이지만, 때로는 손에 있는 재료만으로도 매우 단순한 실험과 발견이 가능하다”는 취지로 설명했다. 그는 그래핀 역시 수많은 탐구적 실험 가운데 성공한 사례라고 회고했다.

결국 가임과 노보셀로프는 그래핀에 관한 획기적인 실험적 성과를 인정받아 2010년 노벨 물리학상을 공동 수상했다. 당시 스웨덴 왕립과학원은 두 사람에게 “2차원 물질 그래핀에 관한 획기적인 실험”을 수행한 공로로 상을 수여한다고 밝혔다.

노벨상이 이번 X 게시물을 통해 다시 소개한 그래핀 발견 이야기는 최첨단 장비나 거대한 연구 프로젝트만이 과학적 돌파구를 만드는 것은 아니라는 점을 보여준다. 연필심에 쓰이는 평범한 흑연과 일상적인 접착테이프에서 출발한 작은 실험이 새로운 물질의 발견으로 이어졌고, 이는 불과 몇 년 뒤 노벨 물리학상으로 연결됐다.

특히 두 과학자의 ‘금요일 실험’은 정해진 연구 주제 밖에서도 호기심을 따라 자유롭게 질문하고 실험하는 과정이 과학 발전에 얼마나 중요한지를 보여주는 사례로 남아 있다. 수많은 실패 가능성 속에서 시작된 작은 탐구가 그래핀이라는 새로운 연구 분야를 탄생시킨 것이다.