편집자주
분광학과 광기술 분야를 연구하는 고재현 교수가 일상생활의 다양한 현상과 과학계의 최신 발견을 물리학적 관점에서 알기 쉽게 조망합니다
과학자들의 특별한 여행
여행의 계절 여름이 성큼 다가왔다. 팬데믹의 시대에도 우리는 여행을 꿈꾼다. 여행이란 어떤 의미일까? 대답은 사람 수만큼 다양하겠지만 새로운 장소, 낯선 사람들, 색다른 자연 속에서 부딪히고 느끼며 경험의 폭이 넓어지고 스스로 더 성장해 감을 느끼는 건 모든 이의 공통분모일 듯싶다.
과학자에게도 여행은 무척 중요하다. 이들의 여행은 지식의 진보로 이어진다. 그런데 과학자들이 내딛는 새로운 발걸음은 많은 경우 실험 도구의 발전과 연결되었다. 갈릴레오가 자신이 만든 망원경을 들어 밤하늘을 바라본 것은 아리스토텔레스의 이상으로 감춰진 천구의 비밀을 드러내는 본격적인 여행의 시작이었다. 백 배가 넘는 배율의 현미경을 개발한 네덜란드의 레벤후크는 누구도 가보지 못했던 미생물의 세계로 인류를 안내했다.
오늘날 과학자들이 벌이는 탐구는 엄청나게 정밀한 수단을 갖추고 매우 치밀하게 준비하는 여행인 경우가 많다. 여행 목적지는 아원자의 세계에서부터 우주의 끝, 미래의 기후 위기부터 빅뱅에 이르기까지 공간적, 시간적으로 광범위하다. 오늘은 그런 다양한 탐험 중 하나를 소개한다. 바로 엄청난 압력과 열기로 가득한, 직접적 접근을 허용하지 않는 행성 내부로의 여행이다.
탄소의 변신과 다이아몬드
극한의 세계는 항상 과학자들을 유혹해 왔다. 가장 낮은 온도, 가장 높은 압력, 가장 강력한 레이저 등 극한의 조건을 달성하기 위한 과학자들의 노력과 경쟁의 역사는 매우 길다. 극한 조건에선 물질의 성질에 특이한 변화가 생기거나 새로운 물질이 합성될 수도 있다. 20세기 초 독보적 기술로 영하 약 269도에 도달했던 네덜란드 물리학자 오너스가 최초로 수은에서 초전도 현상을 확인한 것이 대표적이다. 현재까지 실험실에서 도달했던 가장 낮은 온도는 절대온도 0도(영하 273.15도)에서 불과 100억분의 1도 정도 높은 온도다.
압력의 경우는 어떨까? 압력은 단위 면적에 가해지는 힘이다. 고압을 구현하기 위해서는 지상에서 구할 수 있는 가장 단단한 물질을 이용해야 한다. 다이아몬드가 바로 그것이다. 다이아몬드를 구성하는 탄소는 우주에서 수소, 헬륨, 산소에 이어 네 번째로 풍부한 원소다. 탄소는 우주에 존재하는 100여 가지 원소 중 가장 친화력이 뛰어난 만능 재주꾼이다. 생명을 탄생시키고 유지시키는 생화학 반응의 중심에는 탄소가 있다. 그런데 탄소는 스스로도 무척 다채로운 세계를 구축한다.
100% 탄소 원자로 구성된 다이아몬드와 흑연의 구조. 회색의 원은 탄소를 가리킨다. ⓒ위키피디아
탄소는 원자번호가 6번인 가벼운 원소로 바깥쪽 네 개의 전자가 결합에 참여한다. 즉 이웃한 원자와 결합할 수 있는 팔이 최대 네 개가 된다. 탄소 원자들이 2차원 평면에서 벌집 모양의 육각형을 이루며 결합한 층들이 켜켜이 쌓인 흑연(graphite)은 탄소로 구성된 가장 흔한 물질이다. 육각형의 층과 층 사이는 결합이 약해 쉽게 분리되며 연필심 등 다양한 분야에 쓰인다. 이 흑연에서 단 한 층만을 분리하면 2차원 물질인 그래핀이 되고 이를 연구한 물리학자들이 2010년 노벨상을 받은 바 있다. 또한 아크 방전 등을 가해 에너지를 주면, 흑연이 말리며 탄소나노튜브나 플러렌과 같은 나노 물질이 형성된다.
탄소만으로 구성되는 다양한 동소체들. a 정육면체 다이아몬드, b 흑연, c 육각 다이아몬드, d 풀러렌(C60), e 풀러라이트(C540), f 풀러렌(C70), g 비정질 탄소, h 단일 탄소 나노 튜브. ⓒ위키피디아
하나의 탄소가 이웃한 네 개의 탄소와 결합해 4면체를 이루고 이들이 3차원적으로 결합한 다이아몬드는 산업적 강도가 가장 강한 재료다. 열의 전달 능력이나 화학적 안정성이 뛰어나 광범위한 분야에서 사용되고 있지만, 높은 압력을 구현하는 고압 연구에서도 주연 자리를 차지한다. 다이아몬드의 높은 강도야말로 극한의 압력을 구현하는 데 더없이 적합한 특성이다.
극한의 압력을 찾아
다이아몬드로 압력을 가하는 대표적 방법은 한 쌍의 다이아몬드를 이용해 물질을 누르는 것이다. 끝이 평편하게 연마된 두 다이아몬드 사이에 작은 구멍이 뚫린 개스킷을 끼운 후, 구멍 속에 연구할 시료를 넣고 다이아몬드로 눌러 압력을 가한다. 힘이 작용하는 면적이 작을수록 압력이 커지기 때문에 다이아몬드 끝의 크기나 구멍의 크기는 머리카락 굵기 정도에 불과하다. 설계에 따라 달라지지만 이 방법으로 시료에 가할 수 있는 최대 압력은 보통 250만 기압 정도다. 해발 0미터에서 느끼는 압력이 1기압이고 1만 미터 깊이의 심해에서 느끼는 압력이 대략 1,000기압임을 고려하면 수백만 기압이 얼마나 큰지 짐작할 수 있다.
고압 실험 기구인 다이아몬드 엔빌 셀. 한 쌍의 다이아몬드 사이에 구멍이 뚫린 금속 개스킷을 끼우고 구멍 속에 시료를 넣은 뒤 다이아몬드로 눌러 압력을 가한다.
그러나 이 방법으로는 행성 내부의 고압을 제대로 구현하기 힘들다. 그래서 과학자들이 선택한 방법 중 하나는 충격파를 이용하는 것이다. 즉, 압력을 가하고자 하는 시료에 매우 빠른 속도로 충돌체를 발사해 충돌시키는 것이다. 시료와 충돌체 사이의 상대 속도는 초속 수천 미터, 즉 음속의 10배 전후에 달할 정도로 빠르다. 고속의 충돌로 발생하는 충격파가 지나갈 때 시료가 느끼는 압력은 조건에 따라 1,000만 기압을 넘어가기도 한다. 문제는 고압을 느끼는 수억분의 1초라는 짧은 시간 내에 시료의 물성 변화를 측정해야 한다는 것이다.
지금까지 실험실에서 구현한 가장 높은 압력은 얼마일까? 무려 대기압의 5,000만 배다. 지구 내핵의 압력보다 약 14배나 높다. 이 정도 압력에 도달하기 위해선 매우 특별한 장비가 필요하다. 바로 미국에서 핵융합 연구에 사용되는 국립점화시설(National Ignition Facility)이다. 시료를 금 재질의 실린더 표면에 부착한 후 176대의 자외선 레이저로 2조 와트가 넘는 막대한 출력의 빔을 실린더에 쏜다. 이 에너지가 금 실린더에 흡수되며 강력한 엑스선이 발생하고, 이를 흡수한 측면 시료의 표면이 녹고 팽창하면서 압축파가 전달되어 시료는 극한의 압력에 놓인다. 이 연구를 수행한 팀의 보고에 의하면 시료가 느낀 압력은 대기압의 5,000만 배에 달했다.
레이저빔을 이용한 고압 실험(왼쪽 위)과 미국 국립점화시설 내 설비(왼쪽 아래). ⓒ위키피디아
신물질 탐색의 도구
과학자들은 왜 고압의 세계로 여행을 떠날까? 한 가지 목적은 행성의 내부와 같은 극한의 환경을 간접적으로 탐색하기 위함이다. 고압의 세계는 태양계의 행성뿐 아니라 최근 대거 발견되는 외계행성의 내부 조건을 간접적으로 들여다보는 창이다. 위에서 본 고출력 레이저 실험에서는 5,000만 기압에 달하는 압력을 다이아몬드에 가해 밀도의 변화를 추적할 수 있었다. 외계행성 중에는 지구보다 몇 배 더 무거운 행성 가운데 탄소가 많은 종류가 있다. 고압에 놓인 탄소의 거동은 이들 탄소형 행성의 질량-반지름의 관계를 추적하는 데 소중한 데이터로 활용될 수 있다. 결국 고압 실험은 직접 여행할 수 없는 행성의 내부를 실험실로 가지고 오는 셈이다.
둘째로 고압의 세계를 여행하는 와중에 물질의 새로운 특성을 발견하거나 신물질을 합성할 기회를 얻게 된다. 가령 극한 조건은 탄소들이 새로운 구조로 재탄생할 기회를 준다. 1960년대 중반 과학자들은 지구에 떨어진 운석을 분석하다 새로운 종류의 다이아몬드를 찾아냈다. 탄소들의 3차원 결합 구조가 기존의 정육면체와는 다른 육각형 구조를 가진 다이아몬드를 발견한 것이다. 운석이 지구에 부딪힐 때 고온고압의 조건에서 운석 속 흑연이 육각형 다이아몬드로 변한 것이다. 이후 다양한 방법으로 육각형 인조 다이아몬드가 만들어졌으나 크기가 작고 일반 다이아몬드와 섞여 있어 물성을 제대로 연구하기 어려웠다. 그런데 최근 미국의 한 연구팀은 충격파를 이용해 흑연을 육각형 다이아몬드로 성공적으로 바꾸어 물성을 측정할 수 있었다. 이들이 올해 발표한 논문에 의하면 놀랍게도 육각형 다이아몬드가 기존의 정육면체형 다이아몬드보다 훨씬 더 단단하고 강했다. 인류가 지금까지 사용한 다이아몬드보다 더 단단한 물질을 손에 쥘 가능성을 드러낸 연구다.
기존의 정육면체 다이아몬드보다 더 단단하고 강한 육각형 다이아몬드의 결정 구조(왼쪽). 회색 원이 탄소 원자다. 육각형 다이아몬드가 발견된 디아블로 협곡 운석(오른쪽). ⓒ위키피디아
기초 연구에 속하는 '극한 조건하의 물리학'에 과감하게 투자하는 나라가 늘고 있다. 고압 연구가 기초 학문뿐 아니라 신물질 합성 등 다양한 분야에 응용될 가능성이 높기 때문이다. 제10회 아시아고압연구학회(ACHPR-10)가 올 11월 한국에서 개최되는 등 국내에서도 관련 연구가 활기를 띠고 있다. 액정이나 반도체에서 보듯 기초 연구에서 탄생한 연구 성과가 거대한 산업으로 전환된 경우는 매우 많다. 극한의 세계를 파헤치는 과학자들의 특별한 여행을 격려하고 응원한다.
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