지구에 없던 물질상이 새로 생기는 이유를 국내 연구진이 밝혀냈다.

한국표준과학연구원은 분자 구조의 대칭성 변화가 새로운 물질상을 만들어내는 원인임을 실험으로 증명했다고 16일 밝혔다.

물질상은 물체의 내부 구조를 말하는 것으로 물질상에 따라 물체의 성질이 달라진다. 탄소(Carbon)는 육각형 구조의 흑연에서는 무른 상태이지만 다이아몬드 구조로 치환되면 물성이 단단해진다.

1890년대 독일 화학자 빌헬름 오스트발트는 과포화 상태의 수용액에서 물질이 결정화될 때 안정된 물질상이 아닌 준안정 상태의 새로운 물질상이 생기는 현상을 발견했다.

준안정 이론을 증명하기 위한 다양한 가설이 제시됐는데, 수용액 내 용질(녹는 물질)의 분자 구조 변화가 주된 요인이라는 가설이 유력하게 제시됐다.

결정화 과정을 분자 단위까지 관측하려면 수용액의 포화도를 높여야 하는데, 기존 기술로는 포화농도(용액 대비 용질의 비율) 200% 이상을 내기 어려웠다.

연구팀은 독자 개발한 정전기 공중부양장치를 이용해 포화농도(용액 대비 용질의 비율) 400%의 초 과포화 상태를 구현, 잡음 없이 결정화 과정을 관측하는 데 성공했다.

정전기 공중부양장치는 두 전극 사이에 중력을 극복할 만큼의 강한 전압을 걸어 물체를 공중에 띄우는 장치다. 미국항공우주국(NASA), 일본 우주항공연구개발기구(JAXA), 독일 항공우주연구소(DLR) 등 선진국들이 보유하고 있는 첨단 장비로, 표준연은 2010년 세계 네 번째로 개발에 성공했다.

연구팀은 용질의 분자 구조 대칭(찌그러짐의 정도)이 깨지면서 결정화 경로가 바뀌고, 새로운 물질상이 만들어지는 모습을 확인했다. 오스트발트의 준안정 이론을 실험으로 입증한 것이다.

연구팀은 또 정전기 공중부양장치를 통해 3천726도 이상의 초고온 환경을 만들어 내열 소재인 텅스텐·레늄·오스뮴·탄탈럼의 열 물성을 정밀 측정하는 데도 성공했다.

표준연은 이번 연구 결과들을 이용해 장기적으로 초고온·초과포화·초고압의 극한 환경에서 소재의 물성을 정밀하게 측정할 수 있는 '극한 소재 통합 측정 플랫폼'을 구축한다는 계획이다.

조용찬 표준연 책임연구원은 "우주 등 극한 환경에 활용되는 신소재 개발과 바이오·의료 분야 신물질 연구에 기여할 것"이라고 말했다.