'수헬리베' 화학 교과서 바뀌나…'원자번호 0번' 등장 가능성 열렸다
기초과학연구원(IBS) 희귀핵연구단은 독일 다름쉬타트공대, 일본 이화학연구소(RIKEN) 등 전세계 25개 기관, 92명으로 이뤄진 글로벌 연구진이 4개의 중성자만으로 이뤄진 핵을 처음 발견했다고 6일 발표했다. 연구성과는 세계 3대 학술지 '네이처'에 실렸다.
물질을 구성하는 최소 단위인 원자는 중성자와 양성자로 구성된 원자핵, 그리고 원자핵 주위 전자로 이뤄져 있다. 양성자 수(원자번호)와 중성자 수의 합이 원소의 질량이다.
양성자가 없이 중성자만으로 이뤄진 원자핵의 존재는 이론적으로만 제시됐고, 실험적으로는 관측된 적이 없었다. 중성자로만 구성된 물리적 존재는 '중성자별(질량이 매우 큰 별이 초신성 폭발을 일으킨 뒤 남는 천체)'이 유일했다.
연구진은 RIKEN의 중이온가속기 'RIBF'를 이용해 4개 중성자만으로 이뤄진 원자핵 '테트라 중성자 핵'이 존재할 수 있다는 증거를 확보했다.
연구진은 산소-18을 가속해 베릴륨으로 이뤄진 표적에 충돌시켜 양성자 2개, 중성자 6개로 이뤄진 '헬륨-8'을 생성했다. 그 다음 헬륨-8을 양성자 1개짜리 액체 수소 표적에 쐈다. 이 때 헬륨-8에서 헬륨-4(양성자 수 2개, 중성자 수 2개)가 방출되며 4개의 중성자만 남게 되는 순간적 핵반응을 관찰했다.
IBS 관계자는 "원자핵, 나아가 원소의 안정성을 결정하는 '핵력'의 모델을 바꿀 것으로 기대되는 연구성과"라며 "수수께끼가 많은 초고밀도 천체인 중성자별의 이해를 위한 연결고리도 제공할 것으로 보인다"고 설명했다.
이해성 기자
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만물의 근원을 탐구하던 철학자 탈레스는 동물의 털과 호박(화석화된 송진)을 맞대고 문지르면 힘이 작용한다는 사실을 발견했다. 그 작용의 주역은 전자의 이동이다. 호박을 의미하는 그리스어 λεκτρον(일렉트론)에서 전자의 영어단어 electron이 유래했음은 현대인의 상식이다. 하지만 많은 상식이 그렇듯이 배경이나 근본적인 속성에 대한 이해는 막연하다.전자는 본래 물질 구성의 기본 요소인 원자 내에 존재한다. 쿨롱 힘으로 양의 전하를 띠는 원자핵에 구속되어 있다. 전자의 파동성을 고려하여 양자역학 방정식을 풀어내면 전자가 존재할 수 있는 불연속적인 상태가 구해지는데, 이를 전자궤도 혹은 오비탈이라고 한다. 원자의 성질은 전자가 들어있는, 가장 큰 궤도에 따라 정해진다. 구조가 비슷한 궤도까지 전자를 채운 원자들은 비슷하게 행동한다. 이런 개념을 확장한 것이 주기율표다.두 개 이상의 원자는 전자를 공유함으로써 화학 결합을 형성한다. 20세기 초반 GE에 근무하던 물리학자 랭뮤어가 화학자 루이스와 ‘원자가 이론’을 제안하면서 주기율표의 원소들이 화학 결합을 형성하는 방식을 설명할 수 있게 되었다. 이를 바탕으로 분자 수준에서 생명 현상을 연구하는 분자생물학이 시작되고 DNA 구조가 분석될 수 있었다. 열·에너지로 인해 원자핵의 속박에서 벗어나는 자유전자원자가 규칙적으로 배열된 결정 구조에서 수많은 원자를 아우르는 전자궤도의 중첩 상태 같은 것이 생기는 것을 양자역학으로 설명할 수 있다. 이것을 에너지 밴드라고 부른다. 구리나 은과 같이 전기를 잘 통하는 도체는 밴드 내부에 자유로운 전자가 많이 있다. 부도체라도 전자가 이동할 수 있는 밴드가 가까이 있으면 도체 같이 행동할 수 있다. 이것을 반도체라고 한다. 반도체를 이용해 전자의 흐름을 제어할 수 있는 덕분에 스마트폰을 비롯해 수많은 전자기기를 만들 수 있다.원자핵의 인력(끌어당기는 힘)은 전자가 진공이나 대기 중으로 튀어나오는 것을 막는 에너지 장벽으로 작용한다. 수천도 이상의 가열이나 자외선 같은 에너지 입자와의 충돌로 전자가 이 장벽을 뛰어넘을 수 있다. 높은 전기장으로 당길 경우에도 벽을 뚫는 유령처럼 ‘터널링’이라는 양자역학 현상을 통해 장벽을 벗어날 수도 있다. 원자핵의 속박을 벗어나 진공에서 자유롭게 움직이는 전자들은 (금속에 있는 전자들과 마찬가지로) 자유전자라 불린다.진공이 나빠질수록 전자가 원자와 충돌할 확률이 증가하는데, 이런 충돌 과정을 통해 전자의 개수가 원자핵의 양성자 수보다 많거나 적어지면서 원자 자체가 전하를 띠는 이온이 형성된다. 이런 이온과 전자를 통칭하여 하전입자라고 하고, 이들이 거시적으로 평형을 이루며 집단적인 움직임을 보이는 상태를 플라스마라고 한다. 오늘날 반도체 공정의 핵심 기술이다.전기장을 펼치는 하전입자가 관찰자에 대하여 상대적으로 움직이는 경우 상대론적 효과로 인해 자기장이 생성된다. 전기장과 자기장이 서로를 유도하는 원리는 맥스웰이 정립한 전자기학 방정식으로 설명된다. 이는 발전기와 일상적 노동의 상당 부분을 대신해주는 전동기의 기본이다. 자유전자의 움직임이 만들어내는 전자기파물리학자 크룩스는 1870년대 진공관 내에서 자유전자의 흐름을 만드는 데 성공하였다. 이를 바탕으로 뢴트겐이 발견한 엑스레이는 일정한 속도로 움직이던 전자가 장애물을 만나 갑자기 정지하게 될 때 발생하는 전자기파의 일종으로, 최초의 발견 이후 수많은 사람의 목숨을 구한 의료기술의 핵심이 되었다. 전자의 속도가 빠를수록 파장이 더 짧은 전자기파(방사광)를 발생시킬 수 있으므로 다양한 전자 가속기가 경쟁적으로 개발되었다. 최근 우리나라도 더 정밀한 빛을 만들어 첨단과학연구를 지원하기 위한 가속기를 충북 청주에 짓기로 했다.자유전자의 운동에너지 일부는 전자기파의 형태로 변환될 수 있다. 고전압으로 가속되어 빠르게 운동하는 다량의 전자빔을 잘 제어해서 고출력의 마이크로파를 발생시킬 수 있는데, 가정에서 조리에 이용하는 전자레인지에 들어있는 마그네트론이라는 장치가 대표적이다.온도를 가진 모든 물체는 전자가 열운동을 하게 되므로 진공 속의 자유전자처럼 전자기파를 방출하게 되며, 이를 흑체복사라고 한다. 태양이 내놓는 빛도 핵융합에 의한 고온의 흑체복사다. 온도에 따라 그 파장이 달라지는데 용광로의 쇳물처럼 온도가 높으면 파장이 짧은 가시광선을 내놓는다. 체온이 36.5도인 여러분은 (사람의 눈에 보이지 않는 적외선이지만) 문자 그대로 ‘빛나는 존재’다!현대물리학이 집대성된 표준 모형에 의하면 전자는 쿼크, 보존, 렙톤으로 분류되는 물리학의 기본 입자 중에서 렙톤그룹에 속하는 작은 알갱이다. 화학과 생물학의 주요한 현상에 관여할 뿐만 아니라 자유롭게 제어할 수 있어 현대 기술 문명의 토대가 된다. 건조한 겨울철 스웨터를 벗으며 불꽃을 목격하거나 여름철 장대비 속에 번쩍이는 번개를 접하게 되면, 원자핵의 속박을 떨치고 나와 우리 삶을 윤택하게 만들어주는 ‘꼬마요정’ 전자의 자유에 관해 잠시라도 생각해보는 시간을 가져보자. √ 기억해주세요 전자는 본래 물질구성의 기본 요소인 원자 내에 존재한다. 양의 전하를 띠는 원자핵에 구속되어 있는 전자는 수천 도 이상의 가열이나 자외선 같은 에너지 입자와의 충돌로 원자핵의 인력(끌어당기는 힘)에서 벗어나 진공이나 대기 중으로 튀어나온다. 전자는 화학과 생물학의 주요한 현상에 관여할 뿐만 아니라 자유롭게 제어할 수 있어 현대 기술 문명의 토대가 되고 있다.
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연구용 원자로와 가속기에서 만들어진 중성자와 방사광…10-9ｍ 크기 나노세계의 비밀을 푸는 열쇠
대규모 시설인 연구용 원자로와 가속기는 다양한 용도를 가지고 있다. 연구용 원자로라고 하면 미국 과학자 엔리코 페르미가 건설한 최초의 원자로와 같이 시험용으로 만든 원자로를 연상하기 쉽다. 그리고 가속기라고 하면 스위스 제네바에 있는 유럽원자핵공동연구소(CERN)의 강입자가속기와 같이 원자보다 작은 아원자입자를 연구하는 시설을 먼저 떠올릴 것이다. 그런데 연구용 원자로와 가속기는 의외로 원자나 분자가 이루는 나노미터() 크기의 세계, 즉 나노 세계를 관찰하는 데에도 대단히 유용하게 사용되며, 현대 문명에 직접적인 영향을 주고 있다. 방사광과 중성자를 햇빛 대신 사용17세기 네덜란드의 안토니 반 레벤후크가 직접 제작한 현미경으로 미생물을 최초로 발견한 것은 일대 사건이었다. 생명에 대해 인류가 갖고 있던 기존의 관념이 뒤집어졌고 이후 많은 질병의 원인을 알아내고 현대적인 위생관념이 성립하는 계기가 되었다. 이어진 산업혁명 시대에는 현미경이 제품 개발과 품질 확인에 유용하게 사용되었다. 포목상이던 레벤후크도 천의 품질을 확인할 목적으로 현미경을 만들었다고 알려져 있다. 이와 같이 인간의 삶에 광범위하게 영향을 끼쳤기 때문에 현미경은 대중에 널리 알려진 과학 도구가 되었다.레벤후크가 만든 현미경은 구형의 렌즈가 하나만 달린 단안경에 불과했다. 지난 몇 세기 동안 눈으로 볼 수 없는 작은 세계를 관찰하려는 과학자들의 노력으로 광학현미경은 발전을 거듭했으며, 현대에는 수십만 배의 배율을 가진 전자현미경에서 원자 하나하나를 구분할 수 있는 경지에 이른 주사터널링현미경(STM)까지 다양한 장비가 일상적으로 사용되기에 이르렀다.연구용 원자로와 가속기에서 만들어지는 입자를 광학현미경의 빛 대신 사용하면 현미경처럼 미세한 세계를 관찰하는 데 사용할 수 있다. 다양한 입자를 이 목적으로 사용할 수 있는데 그중 대표적인 것이 방사광과 중성자이다. 방사광은 엑스선이나 자외선 정도의 파장을 가진 강력한 빛이다. 방사광가속기에서는 전자를 빛에 가까운 속도로 가속한 뒤, 전자가 날아가는 궤도가 휘면서 발생하는 방사광을 실험 장치로 보낸다. 중성자는 양성자와 함께 원자핵을 구성하는 핵자인데, 양성자가속기에서 양성자를 가속시켜 무거운 원자핵을 때려서 깨뜨리면 발생한다. 연구용 원자로에서는 연쇄 핵분열 반응 과정에 다량으로 생기는 중성자를 실험 장치로 보내 이용할 수 있다.방사광과 중성자의 파장은 나노미터 전후이기 때문에 수백나노미터의 파장을 가진 가시광선보다 훨씬 작은 원자와 분자의 세계를 관찰할 수 있다. 또한 광학현미경은 대상의 표면만 관찰할 수 있는 데 비해 방사광과 중성자는 물질을 잘 투과하므로 병원에서 엑스레이를 사용해 우리 몸 안을 촬영하듯이 내부 구조를 측정하는 데 사용할 수 있다. 여기에 더해 방사광과 중성자가 가진 서로 다른 특성 덕분에 가시광선으로 보지 못하는 자기적 성질과 같은 특징도 여러 측면에서 관찰이 가능하다. 바이러스 등 나노 크기의 세계 볼 수 있어방사광과 중성자로 들여다보는 10억분의 1ｍ에 해당하는 나노미터 크기는 과학에서 매우 중요한 의미를 갖는다. 아인슈타인 다음으로 가장 유명한 물리학자인 리처드 파인먼(1918~1988)은 인류의 가장 중요한 과학적 지식으로 “모든 것은 원자로 이루어져 있다”는 원자론을 첫 손에 꼽았다. 원자도 더 작은 입자로 이뤄져 있으나 우리의 생명과 문명의 기틀이 되는 지식은 대부분 원자와 분자가 모여서 이루는 현상에 크게 의존하고 있기 때문이다. 원자 하나의 크기가 나노미터보다 조금 작고 생명체의 유전 정보를 가지고 있는 DNA의 직경이 2나노미터 정도이다. 반도체 미세 공정도 원자 몇 개가 모여 선폭을 이루는 나노미터를 향해 발전하고 있다.레벤후크의 현미경이 마이크로의 세계에서 그랬던 것처럼 방사광과 중성자는 나노 세계에서 새로운 발견을 하고 제품의 품질을 확보하는 데 큰 역할을 하고 있다. 코로나바이러스를 이루는 단백질 구조를 측정하고 이 바이러스가 치료제와는 어떻게 반응하는지를 밝히는 데 사용되고 있으며, 심지어는 배를 건조하는 데 사용하는 두꺼운 강철판에 용접이 제대로 됐는지 확인하는 데에도 사용된다.본격적인 과학 도구로 사용할 만큼 규모가 큰 연구용 원자로와 가속기는 건설하고 운영하는 데 대규모 투자를 필요로 하므로 나라마다 하나 갖추기도 쉽지 않은 도구이다. 우리나라가 과학 선진국 및 강대국들과 함께 두 가지를 모두 보유한 나라의 반열에 든 것은 1990년대에 동시에 건조된 연구용 원자로 ‘하나로’와 포항 방사광가속기 덕분이다. 조만간 충북 오창에도 강력한 방사광가속기가 들어설 예정이다.나노 세계를 들여다볼 수 있게 해 주는 연구용 원자로와 가속기는 현대의 최첨단 현미경이라고 할 수 있다. 우리나라가 과학강국으로 남기 위해서는 이들 시설을 잘 유지하고 지속적으로 성능을 높이는 데 관심을 기울여야 할 것이다. √ 기억해주세요연구용 원자로와 가속기에서 만들어지는 입자를 광학현미경의 빛 대신 사용하면 현미경처럼 미세한 세계를 관찰하는 데 사용할 수 있다. 대표적인 것이 방사광과 중성자이다. 방사광과 중성자의 파장은 나노미터 전후이기 때문에 수백나노미터의 파장을 가진 가시광선보다 훨씬 작은 원자와 분자의 세계를 관찰할 수 있다. 또한 광학현미경은 대상의 표면만 관찰할 수 있는 데 비해 방사광과 중성자는 물질을 잘 투과하므로 병원에서 엑스레이를 사용해 우리 몸 안을 촬영하듯이 내부 구조를 측정하는 데 사용할 수 있다.
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국내 연구진 일냈다…'결정핵 탄생 순간' 세계최초 관찰
한국 연구진이 핵이 생성되는 과정을 세계에서 최초로 관찰하는 데 성공했다.기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단 박정원 연구위원(서울대 화학생물공학부 교수) 연구팀은 원자가 모여 결정을 이루는 '핵 생성'(nucleation) 과정을 처음으로 관찰해 냈다고 29일 밝혔다.기초과학연구원 연구팀과 한양대 에리카캠퍼스 이원철 교수팀, 미국 로렌스버클리국립연구소(LBNL)가 공동 진행한 이번 연구 결과는 세계적 유명 학술지 '사이언스'(Science) 이날 자에 게재됐다.'원자핵이 결정화되는 과정에서 일어나는 비결정상과 결정상 사이의 가역적 전이(Reversible disorder-order transitions in atomic crystal nucleation)' 제목의 이번 논문은 학계에서 오랜 난제였던 결정핵 생성 원리를 제시했다는 점에서 인정 받았다.원자의 크기는 수 옹스트롬(Å·백억분의 1m) 수준으로 작고, 밀리초(ms·1000분의 1초) 단위로 빠르게 움직이기 때문에 기존 기술로는 핵생성 과정을 직접 관찰하기 어려웠다. 핵생성 메커니즘을 설명하는 여러 이론이 등장했지만 실험을 통한 증명에는 한계가 있었던 것.공동연구진은 핵생성 과정을 원자 수준에서 실시간으로 관찰하기 위한 실험을 설계했다. 우선 원자 한 개 두께의 얇은 그래핀 막 위에 전자빔을 받으면 금 원자를 방출하는 나노 물질을 합성했다.이후 합성된 시편을 미국 로렌스버클리국립연구소가 보유한 세계 최고 성능의 투과전자현미경(TEM)으로 관찰하며 금 결정의 형성 과정을 실시간으로 관찰했다.투과전자현미경의 전자빔을 받고 방출된 금 원자는 그래픽 박막 위에서 뭉치며 나노결정을 형성한다. 관찰 결과, 안정적인 결정핵이 탄생할 때까지 원자들은 무질서하게 뭉친 덩어리 구조(비결정상)와 규칙적으로 배열된 결정 구조(결정상)의 두 상태를 가역적으로 반복하는 것으로 확인됐다.이후 결정핵의 크기가 성장함에 따라 가역적인 반응은 비가역적으로 변했다. 이는 결정핵이 처음부터 규칙적으로 정렬된 결정상으로 성장한다는 전통적인 핵생성 이론과 상반되는 결과다.또 연구진은 결정핵의 크기가 성장함에 점점 결정상 상태로 머무르는 확률이 높아진다는 점도 확인했다. 지름이 약 1nm일 때는 10%의 확률로 결정상 상태를 가졌지만 지름이 약 2nm를 넘어가면 90% 이상의 확률로 결정상으로 존재했다. 다시 말해 처음엔 대부분 비결정상이었던 결정핵이 성장해 최종적으로는 결정상 상태를 이루는 것이다.이밖에 연구진은 결정핵이 결정상으로 머무르는 시간이 길수록 더 큰 크기의 나노결정이 형성된다는 사실도 확인했다. 예를 들어 2nm²면적의 나노결정이 형성될 때는 절반 정도의 시간만 결정상 형태로 있었지만 4nm² 면적의 나노결정이 형성될 때 결정핵은 대부분의 시간을 결정상 형태로 존재했다.박정원 연구위원은 "핵 생성 과정의 새로운 원리를 발견함과 동시에 이를 실험적으로 검증했다"며 "원자 몇 개가 뭉친 초기 단계에서는 결정상과 비결정상을 오가는데 필요한 에너지가 적어 두 상태를 반복하게 된다"고 설명했다.이원철 교수는 "박막 증착 공정의 극 초기 상태를 실험적으로 재현하는 데 성공했다"며 "반도체 소재 분야 원천기술 개발에 활용할 수 있을 것"이라고 말했다.이번 연구에는 삼성전자가 삼성미래기술육성사업을 통해 힘을 보탰다. 삼성미래기술육성사업은 2013년부터 10년간 1조5000억원을 출연해 기초과학, 소재기술, 정보통신기술(ICT) 등 연구 분야에서 매년 3차례(상·하반기 자유공모, 연 1회 지정테마) 과제를 선정해 지원하는 공익 사업이다.강경주 기자 qurasoha@hankyung.com
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