국내연구진, 공중부양장치로 지구상에 없는 새로운 물질상 발견

이근우 한국표준과학연구원 미래측정기술부 창의융합연구센터

[이데일리 오희나 기자] 국내 연구진이 지상에서 우주와 같은 극한 환경 구현을 통해 지구에는 존재하지 않는 새로운 물질 상을 발견하는데 성공했다.

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 직무대행 박상열) 창의융합센터 이근우, 이수형 박사팀은 정전기 공중부양장치로 액체(수용액)를 공중에 띄운 뒤 물을 증발시켜 준안정상태의 초과포화 결정을 얻는 방법으로 기존에 없었던 새로운 물질상을 발견하였다.

이번 연구 성과는 미국 국립과학원회보(PNAS: Proceedings of National Academy of Sciences)에 10월 24일자에 실렸다.

정전기 공중부양장치는 두 전극 사이에 중력을 극복할 만큼의 강한 전압을 걸어 물체를 부양시키는 장치다. 미국(NASA), 일본(JAXA), 독일(DLR) 등의 선진 항공우주국에서만 보유하고 있는 최첨단 장비로 KRISS는 2010년 자체 개발에 성공했다.

최근 미래 에너지 자원 확보를 위해 지구 중심부나 우주 행성과 같은 초고온, 초고압, 초과포화 등의 극한 환경에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 하지만 매 번 우주로 나가 실험을 할 수 없기 때문에 지상에서 극한 환경과 유사한 조건을 만든 뒤 물질의 변화를 측정한다.

이 과정에서 기존에는 시료를 용기에 담은 뒤 극한 환경으로 변화시키는 방법을 사용했다. 이 방법은 용기가 시료에 영향을 주기 때문에 시료 자체의 물성 변화를 정확하게 측정하기 어려워 물질의 생성과정을 명확히 파악할 수 없다는 큰 단점이 있었다.

연구팀은 시료와 용기의 접촉을 원천적으로 차단하기 위해 정전기 공중부양장치로 시료를 공중에 띄움으로써 이 문제점을 해결했다. 이로써 기존 접촉식 기법에서는 불가능 했던 300 ~ 400 % 이상의 깊은 초과포화 상태를 구현했다.

연구팀은 공중에 띄우는 액체로 KDP 수용액을 사용했으며, 수용액의 초과포화 상태 구현 이후 액상 내에서 액체-액체 구조 변화가 먼저 발생하며 이에 따라 새로운 준안정적인 결정이 생성된다는 것을 관찰함으로써 고전적 이론에서 벗어난 결정 핵생성의 경로를 발견했다.

또한 연구팀은 초과포화 상태 물질의 원자 및 분자 구조 특성을 정확히 측정하기 위해 정전기 공중부양장치에 라만 및 X-선 산란 기술을 결합하는 기술을 새롭게 개발했다.

이근우 KRISS 박사는 “이번 기술은 향후 극한 환경의 탐사를 위한 항공우주 분야 및 초고온 핵융합 분야의 신소재 개발, 유전병 해결을 위한 게놈지도 제작과 같은 바이오 분야 등에 사용될 것으로 기대된다” 라며 “특히 약을 초과포화 상태로 만듦으로써 체내 흡수를 훨씬 빠르게 만들 수 있기 때문에 제약 분야에서도 활용이 가능하다”고 말했다.

정전기 공중부양장치를 사용해 KDP 수용액을 공중에 띄운 모습