한국 과학자, 세계 최초로 액체 금속 로봇의 '전자 구조' 측정 성공

국제학술지 '네이처'에 게재

영화 '터미네이터2'에 나오는 액체금속 로봇 T1000. 터미네이터2 스틸컷

영화 ‘터미네이터2’에는 액체금속 로봇 ‘T1000’이 등장한다. 총을 맞아도, 차에 치여도 액체금속은 곧 모양을 회복한다. 한국 과학자들이 이 같은 액체금속의 ‘전자 구조’ 측정에 성공했다. 이 구조를 실험적으로 밝혀낸 건 세계 최초다.

과학기술정보통신부는 연세대 김근수 교수 연구팀이 노벨 물리학상 수상자 필립 앤더슨과 네빌 모트가 1960년대 이론 모델로만 예측한 ‘액체금속의 전자 구조’를 실체적으로 측정해냈다고 4일 밝혔다. 전자 구조는 전기적, 광학적 특성을 통해 물질 속 전자 파동의 에너지와 운동량의 상관관계를 설명하는 것이다. 연구팀의 연구 결과는 국제학술지 네이처지에도 5일 게재됐다.

액체금속의 전자 구조가 발견된 결정 고체와 액체금속의 계면 모습. 바닥 부분에 원자들이 규칙적으로 배열된 물질은 결정 고체를 나타내고, 그 위에 불규칙적으로 분포하는 액체금속은 표면 도핑된 알카리 금속 원자들을 나타낸다. 김근수 교수 연구팀 제공

고체금속은 배열이 규칙적이어서 전자 구조를 비교적 쉽게 설명할 수 있다. 하지만 수은과 같은 액체금속은 형태가 자유자재로 바뀌어 전자 구조를 규명하기가 어렵다. 특히 액체금속의 전자 구조는 1977년 노벨물리학상을 받은 필립 앤더슨과 네빌 모트가 이론 모델만 고안해낸 뒤 실험적으로 이를 증명해내지 못한 분야였다.

1960년대 앤더슨과 모트 등이 이론적으로 예측한 액체금속의 전자 구조(왼쪽)에선 뒤로 휘는 독특한 형태와 유사갭(회색 영역)이 특징적으로 나타난다. 김근수 교수 연구팀이 액체성의 알카리 금속으로 도핑된 흑린의 전자 구조를 측정한 실험 결과(오른쪽)에서도 이론과 같이 뒤로 휘는 형태의 전자 구조와 유사갭이 나타났다. 김근수 교수 연구팀 제공

이번 연구의 성공 비결은 '발상의 전환'이다. 김 교수는 액체금속을 직접 측정하지 않고 다른 방법을 사용했다. 액체금속과 결정 고체의 계면 전자 구조를 측정하는 방식이다. 연구팀은 검은 인(흑린)이라는 결정 고체 표면에 알카리 금속을 뿌렸다. 그 결과 결정 고체에 도핑된 전자들은 불규칙하게 분포된 알카리 금속 원자들에 의해 ‘공명 산란’돼 액체금속의 전자 구조와 같은 특징을 보였다.

연구팀은 무질서한 상태일 것으로 예상돼왔던 액체금속이 나름의 질서구조를 가졌다는 점을 발견해냈다. 이후 방사광가속기와 각분해광전자분광 장비를 이용해 이를 정밀히 측정했고, 뒤로 휘는 독특한 형태의 전자 구조와 ‘유사갭’을 발견해냈다. 유사갭은 원자들이 불규칙하게 배열된 경우 전자들이 불완전한 에너지 간극을 갖게 되는 현상을 말한다.

김근수 연세대 물리학과 교수

남은 과제는 실용화다. 연구팀은 액체금속의 전자 구조를 통해 유사갭을 발견한 만큼 이를 토대로 고온초전도 메커니즘을 규명하겠다는 계획이다. 고온초전도 현상은 특정한 높은 온도에서 저항이 사라지는 것으로, 상온에서 이를 구현하게 된다면 에너지 손실 없이 송전이 가능하다.

조소진 기자 sojin@hankookilbo.com