한국을 빛낸 화학자34(2025년 5월호)

이상엽(李相燁) 서울대학교 교수 (1955~) 

이상엽 교수는 1955년 청주에서 출생하여 1973년 서울고등학교를 졸업하고 서울대학교 화학과에 입학하여 1978년에 학부를 졸업하였습니다. 이후 당시 물리화학 전공이던 김영식 교수와 1979년 서울대학교 대학원생으로서는 최초로 미국 화학물리학 학술지(The Journal of Chemical Physics)에 논문들을 출판한 바 있습니다.[참고문헌 1,2] 이후 도미하여 하버드 대학의 마틴 카플러스(Martin Karplus) 교수 그룹에서 수학하고 박사 학위를 취득하였습니다. 2013년 노벨상 수상자인 카플러스 교수는 1954년 노벨화학상을 받은 라이너스 칼 폴링(Linus Carl Pauling)의 제자로 계산화학 분야 학맥을 잇고 있었는데[그림 2], 카플러스 교수 그룹에서 박사과정 수학 당시 이상엽 교수는 독자적으로 연구를 수행하여 계산화학분야가 아닌 응축상 반응동력학 분야를 크게 발전시키는 논문들을 발표하였습니다.[참고문헌 3,4] 이후 콜로라도 대학(University of Colorado, Boulder)의 제임스 하인스(James T. Hynes) 교수 그룹에서 박사 후 연수를 받으며 용매의 극성이 용질 분자들의 반응속도에 미치는 영향을 정량적으로 기술하는 논문들[참고문헌 5,6]과 이를 이용하여 극성용매의 비평형 용매효과가 SN1 및 SN2 반응속도에 미치는 영향을 정량적으로 기술하는 논문, 그리고 용액상 양성자 및 수소원자 전달 반응 속도를 정량적으로 기술하는 논문들을 출판하신 바 있습니다. 1988년부터는 모교인 서울대 화학과에 부임하여 2020년까지 재직하시며 응축상 반응 동력학 분야 발전에 크게 기여하였습니다. 

이상엽 교수는 서울대 화학과에 32년간 재직하는 동안 공식적으로 석사 15명과 박사 17명을 배출하였고, 이 제자들 뿐 아니라 서울대학교 내 타 그룹 대학원 생들도 지도하며 훌륭한 논문들을 함께 발표하신 바 있습니다. 대표 초기 연구로 1991년 대학원생 김동섭(현 카이스트 바이오및뇌공학과)과 함께 일차원반응좌표계에서 개발된 크라머스(Kramers)의 반응속도 이론을 점성도가 높은 매질에서 일어나는 다차원 에너지 장벽 넘기(multi-dimensional barrier crossing) 과정으로 확장하였습니다.[참고문헌 7] 이와 거의 동시에 양민오(현 충북대 화학과), 장석주(현 뉴욕 시립대 화학과), 그리고 성재영(현 중앙대 화학과)과 함께 용액상 형광 소광 반응 동력학에 분자 확산과 콤플렉스 형성이 미치는 영향과[참고문헌 8-11] 용액상 에너지 전달 반응 동력학[참고문헌 12]을 연구하였습니다. 

서울대 부임 후 최초 연구들 직후 박사과정생 김주현(현 밴더빌트 대학 의학센터, 유전약학과) 석사과정생 이재준(현 동국대 에너지신소재공학과), 정연준(현 서울대 화학부)과 함께 응축상 라디칼 재결합 반응 동력학 연구[참고문헌 13,14] 그리고 석사과정생 정연준, 현창봉(고등과학원 계산과학부)과 함께 분자 상태의 양자동력학이 확산지배 반응 속도에 미치는 영향도 연구하였습니다.[참고문헌 15] 

1996년 이후에는 마리안 스몰루코프스키(Marian Smolu chowski)의 비가역 확산지배 반응 속도 이론을 산-염기 반응을 포함한 일반 가역 반응으로 확장하는 논문들을 발표하였습니다.[참고문헌 16-18] 다수 분자들 간의 응축상 가역 결합반응 동력학은 정확한 해를 찾기 어려운 다체 문제(many-body problem)로서 이 분야 난제로 남아 있었는데 성재영과 함께 이 문제를 해결하는 해석 이론을 개발하였습니다.[참고문헌 16] 이 이론의 예측은 정확한 전산모산 결과와 조절변수 없이 일치하여 이 분야 학계의 주목을 받았고 현재까지도 가장 정확한 이론으로 인용되고 있습니다. 이외에 서울대 화학과 동료 교수였던 신국조 교수와 박사과정생 양민오(현 충북대 화학과)와 함께 진 마젠코(Gene Mazenko)의 동력학 이론을 가역 확산지배 반응으로 확장하여 적용범위가 넓고도 상당한 정확성을 확보한 우아한 이론을 발표하여 학계의 주목을 받으신 바 있습니다.[참고문헌 19-21] 

이 시기에 박사과정생 박황서(현 세종대 화학과)와 함께 프랙탈 기하학의 화학적 응용 연구도 수행하였는데, 프랙탈 메디아에서의 비고전적 화학반응속도론[참고문헌 22]을 필두로 촉매 표면의 프랙탈 및 멀티프랙탈 성질과 일산화탄소 산화반응 속도 사이의 정량적 관계를 몬테카를로 모의실험을 통해 규명하였습니다. 또한 박황서, 최준호(현 광주과기원 화학과)와 함께 단백질-리간드 도킹 모의실험,[참고문헌 23] 호몰로지 모델링, 분자동력학 모의실험, 자유에너지 섭동 계산 등 계산화학 기법들에 두루 사용하여 액체상 단백질의 구조와 반응속도를 연구하고, 이를 통해 신약후보물질 발굴에 필요한 스크리닝을 효율적으로 하는 방법을 제공하기도 하셨습니다.[참고문헌 24] 아울러 박사과정생 이진욱(현 삼성전기)과는 사슬고분자의 고리화 반응 및 엑시머 형성 반응 동력학에 관한 정교한 이론도 발표하였습니다.[참고문헌 25] 

2000년대 이후 이상엽 교수는 분자의 열운동이 아인슈타인의 브라운 운동 이론, 즉, 단순 확산에서 벗어나는 경우 응축상 반응속도론 발전에도 크게 기여하셨습니다. 메사추세츠 공과대학 화학과 Robert Silbey 교수 그룹과 공동연구로 분자의 움직임이 보통의 확산보다 느린 아확산 (subdiffusion)현상이 발생하는 경우 분자간 이차반응 동력학을 기술하는 최초의 반응 속도이론을 제안하였고,[참고문헌 26]이후 당시 박사과정생 김지현(현 중앙대 화학과, 시스템화학 선도연구센터)과 함께 이를 일반 프랙탈 공간으로 정교하게 확장하는 연구[참고문헌 27]도 수행하였습니다. 이 외에도 김지현과 반응분자가 복잡한 구조를 가질 때에도 분자간 미시적 상호작용들을 근사없이 다룰 수 있는 가장 일반적인 형태의 응축상 이차반응 속도론과 이에 기반해 반응속도 예측을 위한 효율적인 분자동력학 전산모사 계산방법을 제시하였습니다.[참고문헌 28] 

2011년에는 복잡계 양자 동력학이나 반응 동력학 분야 등에서 자주 등장하는 Fredholm적분 방정식들의 해석적 해를 기존 방법들 보다 정확하게 얻을 수 있는 새로운 섭동이론도 제시한 바 있습니다.[참고문헌 29,30] 

서울대 재직 말기에도 이상엽 교수는 통계역학, 양자화학, 분자동력학, 수리물리학 분야에 걸쳐 다양한 연구적 도전을 이어 가셨습니다. 중앙대학교 성재영 교수, 김지현 교수와 공동연구를 통해 아인슈타인의 브라운 운동이론을 포함하는 기존 모델과 이론들로 설명되지 않는 복잡 용액 내 분자 및 이온의 확산 운동을 일반적으로 기술할 수 있는 새로운 수송 방정식을 유도하고 실증하는 일에 큰 공헌을 하셨습니다.[참고문헌 31] 이 연구는 최근 차세대 전략 기술 중 하나인 전고체 배터리 내 이온의 이동을 정량적으로 기술할 수 있는 사실상 유일한 이론으로 평가받고 있습니다.[참고문헌 32] 이 새로운 수송 방정식은 최근 나노 입자들간 결합 반응의 비고전적 반응 동력학 [참고문헌 33]과 생체 지질막 사이 물분자의 비정규 열운동을 세계 최초로 정량적으로 설명하는 데 확장 및 응용된 바 있습니다.[참고문헌 34] 

이상엽 교수는 이 당시 박사과정생이었던 이승훈(서울대 화학부)을 지도하며 경북대학교 화학과 최철호 교수와의 공동 연구를 통해 양자화학 이론 개발에도 큰 기여를 하였습니다. 특히 새로운 시간종속 밀도범함수 이론을 개발하여 기존 방법이 내부권 전자 전달과정을 기술하는데 갖는 한계점을 극복하였습니다.[참고문헌 35] 이 새로운 이론을 기반으로, 비단열 동력학(non-adiabatic dynamics) 시뮬레이션을 통해 전자 전달 과정을 모사하고자 에너지 기울기[참고문헌 36]와 비단열 결합항[참고문헌 37]을 계산하는 방법론을 추가로 개발하였습니다. 이후 다수의 후속 연구를 통해 이 새로운 방법의 정확성과 실용성을 증명해 나가셨고, 최근에는 다양한 방면으로 확장되어 복잡계의 엑시톤 동력학 연구를 포함한 다양한 연구에 활용되고 있습니다. 뿐만 아니라 이상엽 교수는 기존 섭동 이론의 수렴성 문제를 향상하기 위해 재합산 섭동이론을 개발하였습니다.[참고문헌 38] 해당 연구는 간단한 모델 해밀토니안 문제에서부터 실제 분자의 전자구조 문제에 이르기까지, 이 새로운 이론이 전자 상관을 효과적으로 반영함을 보여주었습니다. 

이와 동시에 현재 광범위하게 사용되고 있는 등압 등온 앙상블 분자동력학 전산모사에서 계의 부피 요동을 고려하는 방식에 편재된 문제점을 파악하고 이를 해결할 수 있는 새로운 시뮬레이션 기법도 개발하였습니다.39 이 연구 성과들은 이상엽 교수의 학문적 전문성과 연구의 창의성이 어느 한 분야에 국한되지 않고 통계역학, 양자화학, 분자동력학 분야를 아우르는 이론 및 계산화학 분야 전반의 발전에 크게 기여한 것을 선명히 보여주고 있습니다. 

이러한 공로를 인정받아 이상엽 교수는 대한화학회에서 가장 권위 있는 두 상을 수상하신 바 있습니다. 2009년 응축상 반응속도이론 발전에 기여한 공로로 대한화학회 이태규 학술상을 수상하시고 2012년에 양자동력학과 응축상 반응동력학 문제에 자주 등장하는 Fredholm적분 방정식의 일반적 근사해를 제시하고 이를 응축상 반응동력학에 성공적으로 응용한 공로를 인정받아 대한화학회 학술상을 수상하셨습니다. 화학계에서 이 두 상을 모두 수상하신 분은 매우 드문데 이상엽 교수는 이론화학자로서 이 두 학술상을 모두 수상하신 유일한 분입니다. 

이상엽 교수는 물리화학 교육 발전에도 관심을 가지고 기여하신 바 있습니다. 대표적인 예로 학부생들이 쉽게 이해하기 어려운 열역학 제 2법칙을 전통적인 기체계 카르노 사이클(Carnot Cycle) 도입 없이 보다 쉽고 일반적으로 이해할 수 있는 새로운 이론적 접근법을 개발하여 미국 화학교육지에 발표한 바 있습니다.[참고문헌 40] 

이상엽 교수는 2020년 서울대학교 화학부를 정년퇴임 하고 해당 학부에서 기념강연을 하셨습니다. 그러나, 이 때 발생한 코로나 팬데믹으로 인해 제자들이 준비했던 이상엽 교수 정년 기념 학술 심포지엄은 코로나가 잦아든 2022년 8월 말이 되어서야 개최되었습니다[그림 13, 14]. 이 심포지엄에 국내는 물론 해외에 거주하던 제자들도 대부분 참석하였고, 부득이한 사정으로 참석을 못한 제자들도 온라인 회의를 통해 함께 하였습니다. 

같은 해 이상엽 교수는 대한화학회 BKCS 편집장인 남원우 교수의 초청을 받아 응축상 반응 동력학에 대한 그 동안의 연구 성과 상당 부분을 정리한 리뷰를 BKCS에 출판해 주시기도 했습니다.[참고문헌 41] 

이상엽 교수는 은퇴 이후에도 해외 연구자들과 같이 미국 화학물리학 학술지에 꾸준히 훌륭한 논문들을 발표하고 있습니다.[참고문헌 42,43] 2023년 9월부터는 중앙대 세포화학동력학 창의연구단 석학연구원으로, 2024년 8월부터는 시스템화학 선도연구센터(Center for Systems Chemistry)에 Advisory Board Member 로서 매주 연구센터 세미나에 참석하여 후학들에게 조언을 베풀며 평생을 순수하게 학문에 매진하는 학자의 본보기를 보여주고 있습니다. 

이상엽 교수가 연구 경력 전반을 통해 꾸준히 추구했던 순수 이론화학은 이제 제자들에게 전수되어 현재 각광을 받고 있는 생명과학과 물질과학에 두루 응용되고 있습니다. 특히 이들 분야에서 관심의 대상이 되는 다양한 생체계 및 물질계를 포함하는 복잡계들의 물성과 화학적 거동을 물리화학적 모델과 수학적 연역을 사용해 일반적으로 설명하는 것을 가능케 하는 초융합과학 분야의 기초를 이루고 있습니다. 이 새로운 초융합과학은 요즘 각광을 받고 있는 기계학습을 포함하는 계산화학적 방법과 결합하여 생체계와 물질계 거동에 대한 정량적 예측 능력을 갖춘 물리화학적 모델을 구축하는 미래 화학의 새로운 방향을 제시하고 있습니다. 

글 이상엽 교수님 제자 일동 

참고문헌

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