금속이 녹기 직전 더 단단해진다

[파이낸셜뉴스] 광주과학기술원(GIST) 물리·광과학과 조병익 교수팀은 세계 최초로 금속이 녹아 고체에서 액체로 바뀌는 10조분의 1초 순간을 실시간으로 관측하는데 성공했다.

초고온으로 가열된 구리는 수백 펨토초(1000조분의 1초) 동안 더 단단해졌다가 서서히 약해지면서 액체로 변했다.

조병익 교수는 11일 "이번 연구과정에서 축적한 지식과 경험을 바탕으로 핵융합 에너지 연구 등 세계 과학계에서 주도적 역할을 할 수 있기를 희망한다"고 말했다.

조 교수는 극한의 시공간 영역에서 물질의 새로운 성질을 발견하고 핵융합 연구 등 미래 에너지 연구에 기여할 수 있을 것으로 보고 있다.

연구진은 강력한 레이저로 1만도 이상의 초고온으로 구리를 가열했다.

이때 원자간 결합에 관여하는 전자들 중 약 10% 정도가 들뜬 상태로 진입했다. 남은 전자들은 원자핵의 강력한 인력에 더욱 많이 노출돼 더욱 단단히 결속되는 현상이 발생했다.

즉, 연구진이 초고속 엑스선 분광법을 이용해 금속의 원자간 결합이 바뀌면서 녹는 찰나의 순간을 포착해 낸 것이다.

결합이 더욱 강화된 초고온의 단단한 구리는 수백 펨토초에 걸쳐 유지되다가 이후 서서히 약해진다. 이는 가열된 물질이 녹을 때 원자간 결합이 바로 약해져 액체로 변화할 것이라는 기존의 통념과 반대되는 결과다.

10여년전 해외 연구진이 발표한 이론에 따르면, 금속은 강력한 레이저에 의해 초고온으로 가열하면 액체로 변화할 때 순간적으로 원자간 결합이 강화돼 더욱 단단한 상태를 거쳐 액체로 바뀔 수 있다. 하지만 이 현상을 직접 관측한 적은 없었다.

지금까지 기존 엑스선 측정기법은 시간분해능이 약 10 피코초(1000억 분의 1초) 수준에 머물러 있었다. 원자결합의 변화가 일어나는 1 피코초 미만의 시간영역을 측정하는데 한계가 있었기 때문이다.

연구진은 기존 시간 한계를 넘기 위해 엑스선 자유전자레이저에서 방출되는 펨토초(1천조분의 1초) 엑스선 펄스를 이용한 초고속 엑스선 분광법을 사용했다.

실제로 레이저 핵융합, 지구 내부 등 극한의 온도, 압력 환경에서는 지금까지 알려진 것과는 다른 특별한 물질의 성질들이 많이 나타난다.

초고속 엑스선 연구로 물질이 초고온에서 순간적이나마 더욱 단단해 질수도 있다는 것은 극한의 특별한 성질을 이해할 수 있는 열쇠를 제공하고 있다.

조병익 교수는 "펨토초 엑스선 분광법을 이용하면 초고속 영역에서 원자 결합을 관찰하는 것 외에도 극한의 시공간 영역에서 다양한 특이현상을 관측하는 것이 가능하다"고 말했다.

한편, 이번 연구결과는 물리학 분야 최고 권위의 학술지 '피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)'에 지난 10월 22일 온라인 게재됐다.

[e-mail] 김만기 기자