우주 환경 구현해 지구에 없던 신물질 합성

민간 주도의 우주개발인 뉴스페이스 시대가 본격화되면서 신소재 연구도 활발하게 진행되고 있다.

우주 조건에서 물질의 변화 과정을 더 정확히 분석하고 원하는 신물질을 만들 수 있기 때문이다.

한국표준과학연구원(KRISS)의 전략기술연구소 우주극한측정그룹 연구진은 “우주와 같은 무중력 환경에서

분자 구조의 대칭성 변화가 새로운 물질상 형성의 원인임을 세계 최초로 규명했다”고 16일 밝혔다.

1890년대 독일의 화학자 빌헬름 오스트발트(Wilhelm Ostwald)는 과포화 상태의 수용액에서 물질이 결정화될 때 안정된 물질상(相)이 아닌

준안정 상태의 새로운 물질상이 생기는 현상을 발견했다. 과학계는 수용액에 녹아있는 물질의 분자 구조

변화가 주된 요인으로 봤지만 입증하기 어려웠다. 결정화 과정을 분자 단위까지 관측해야 하기 때문이다.

수용액의 포화도가 높아질수록 순도 높은 결정이 생기고 잡음 없이 결정화 과정을 측정할 수 있지만

기존 기술로는 포화 농도의 200%까지만 구현할 수 있어 정밀한 관측이 어려웠다.

일반 환경에서는 용액이 담긴 그릇 표면에서 결정화가 일어나기 쉬워 포화도를 더 높일 수 없었다.

수용액을 공중에 띄워 외부와의 접촉을 최소화하자 400% 이상 초과포화 상태를 구현할 수 있었다.

그 결과 용액에 녹아있는 물질의 분자가 구조 대칭성이 깨지면서 결정화 경로가 바뀌고 새로운 물질상이 만들어진다는 것을 세계 최초로 관측했다.

조용찬 KRISS 우주극한측정그룹 선임연구원은 “이번 성과는 새로운 물질상이 생기는 핵심 요인을 규명해 우리가

원하는 물질상을 형성하기 위한 방법론을 제시한 것”이라며 “우주와 같은 극한 환경에 활용되는 신소재 개발과

바이오·의료 분야 신물질 형성 연구에 새로운 이정표가 될 수 있다”고 말했다.

연구 성과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션’에 지난 4월 10일 게재됐으며 하이라이트 논문으로 선정됐다.

한편 연구진은 정전기 공중부양장치를 이용해 띄운 물질에 고출력 레이저를 쏘아 4000K(섭씨 3726도) 이상의 초고온 환경도 구현했다.

이를 이용해 내열 소재인 텅스텐, 레늄, 오스뮴, 탄탈럼의 특성을 정밀 측정하는 데 성공했다.

우주 발사체, 항공기 엔진, 핵융합로에 사용하는 초고온 내열 소재의 정확한 특성을 확인해 설계의 안전성과 효율성을 높일 수 있을 것으로 기대된다.

이근우 우주극한측정그룹 책임연구원은 “정전기 공중부양장치를 이용하면 우주와 유사한 무중력 환경을 구현해

소재의 물성을 정밀 측정할 수 있다”며 “현재 선진 항공우주국에서는 이런 장치로 우주에서 진행될

다양한 실험을 지상에서 사전 수행해 비용을 절감하고 연구 효율을 높이고 있다”고 말했다.