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[용어사전] 아바타 속 '언옵테늄'! 꿈의 물질 상온 초전도체에 대해_초전도체(superconductor)

1911년 네덜란드의 물리학자 카메를링 오네스는 액체 헬륨을 이용해 수은의 온도를 낮추던 중 놀라운 현상을 목격했습니다. 온도가 극도로 낮아지자 수은의 전기저항이 사실상 0이 된 것입니다. 본래 전기는 도체 내부를 흐르는 전자의 흐름이며, 이 과정에서 다른 물질의 방해를 받아 손실이 발생하는 전기저항이 존재하기 마련입니다. 하지만 오네스는 특정 온도 이하에서 전기저항이 완전히 사라지는 초전도 현상을 처음으로 발견해냈습니다. 이러한 특성을 가진 물질을 초전도체라고 부르며, 이는 전력 손실 없는 에너지 전달의 가능성을 열어준 역사적인 순간이었습니다. 초전도체는 강력한 자기장을 형성할 수 있어 병원의 MRI나 핵융합로, 입자 가속기 등 첨단 과학 분야에서 핵심적인 역할을 수행합니다. 그러나 초기 발견 당시 초전도 현상은 섭씨 영하 268.9도라는 극저온에서만 발생하여 실용화에 한계가 있었습니다. 1957년 발표된 BCS 이론은 초전도 현상이 30 켈빈 이상의 온도에서는 일어날 수 없다고 예측하기도 했습니다. 하지만 1986년 35 켈빈에서 작동하는 물질이 발견되면서 기존 이론의 한계를 넘어섰고, 이후 과학자들은 더 높은 온도에서 작동하는 초전도체를 찾기 위해 끊임없는 연구를 이어오고 있습니다. 만약 일상적인 온도에서 작동하는 상온 초전도체가 상용화된다면 인류의 삶은 혁명적으로 변화할 것입니다. 장거리 송전 시 발생하는 전력 손실이 완전히 사라지고, 에너지를 무한정 저장할 수 있는 장치가 마련되어 에너지 효율이 극대화됩니다. 또한 값비싼 냉각 장치가 필요 없어져 자기부상열차나 MRI 같은 고가의 기술들을 훨씬 저렴하고 편리하게 이용할 수 있게 됩니다. 초전도체 연구는 이미 수많은 노벨상 수상자를 배출했을 만큼 과학계의 핵심 과제입니다. 여전히 풀리지 않은 원리와 무궁무진한 가능성을 품은 초전도체는 그야말로 세상을 바꿀 꿈의 물질이라 할 수 있습니다.

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물리학

[연구뭐하지?] 신용일 교수_서울대학교 '양자기체 연구실' | 초유동성?! 양자기체?! 이곳에서 물리 폭풍렙업 중!

양자기체 연구는 절대영도에 매우 근접한, 대략 10의 -9승 도 정도의 극저온 상태에서 물질의 성질을 탐구하는 분야입니다. 이렇게 극도로 낮은 온도에서는 기체가 평소와는 전혀 다른 독특한 양자 현상을 보이게 되는데, 그중에서도 마찰 없이 흐르는 성질인 '초유동성'이 핵심적인 연구 대상입니다. 서울대학교 물리천문학부 양자기체 연구실에서는 이러한 신비로운 물리적 현상을 규명하기 위해 다양한 실험적 접근을 시도하며, 자연의 근본적인 원리를 파헤치는 데 주력하고 있습니다. 과거에는 초유동성 연구가 주로 낮은 온도의 고체에서 나타나는 초전도 현상이나 액체 헬륨의 특이한 흐름을 통해 이루어져 왔습니다. 그러나 최근 원자 기체를 극저온으로 냉각할 수 있는 정교한 실험 기술이 비약적으로 발전하면서 연구의 지평이 넓어졌습니다. 이제 과학자들은 원자 기체의 내부 상태를 세밀하게 제어함으로써 새로운 시스템에서 초유동성을 관찰할 수 있게 되었습니다. 이는 양자 다체계 현상을 이해하는 데 있어 매우 중요한 전환점이 되었으며, 현대 물리학의 핵심적인 연구 분야로 자리 잡았습니다. 극저온 양자기체 물성을 연구하기 위해서는 고도의 기술적 숙련도가 요구됩니다. 연구자들은 기본적으로 진공 기술과 레이저 기술을 완벽히 익혀야 하며, 원자 물리학에 대한 깊은 이해가 필수적입니다. 실험 과정은 마치 만 피스짜리 퍼즐을 맞추거나 RPG 게임에서 레벨업을 하는 과정과 비슷합니다. 수많은 부품을 조립하고 정교하게 조정하며 차곡차곡 경험치를 쌓아가는 긴 여정은 때로 어렵고 힘들지만, 그 과정에서 얻는 지적 즐거움과 성취감은 무엇과도 바꿀 수 없는 중독성 있는 매력을 지니고 있습니다. 연구실의 분위기는 자유롭고 수평적인 의사소통을 지향하며, 팀원 간의 협력이 무엇보다 중요하게 여겨집니다. 복잡한 실험 장비를 다루고 방대한 데이터를 분석해야 하기에 팀플레이 능력이 필수적인 덕목으로 꼽힙니다. 일상적인 소통의 한 예로 식사 메뉴를 정하거나 커피 내기를 할 때 가위바위보를 활용하는 등 유쾌한 문화를 공유하기도 합니다. 이러한 유연한 분위기 속에서 연구원들은 서로의 아이디어를 자유롭게 나누며, 창의적인 연구를 지속할 수 있는 동력을 얻습니다. 초유동성과 초전도 현상에 대한 명확한 물리적 이해는 단순히 지식의 확장을 넘어 인류의 실생활에 혁명적인 변화를 가져올 수 있습니다. 만약 상온에서도 저항 없이 전류가 흐르는 초전도체를 개발할 수 있다면, 발전소에서 도시로 전력을 수송할 때 발생하는 막대한 에너지 손실을 획기적으로 줄일 수 있습니다. 극저온 양자기체 연구는 이러한 꿈의 물질을 설계하기 위한 기초 지식을 제공하며, 에너지 절약과 효율적인 전력망 구축 등 미래 기술의 토대를 마련하는 데 결정적인 역할을 할 것입니다.

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물리학

[온라인 사이언스쇼] 얼어라 꽁꽁 -액체질소 실험편-

우리가 흔히 즐겨 먹는 구슬아이스크림은 그 독특한 모양과 식감으로 많은 사랑을 받습니다. 이 작고 동글동글한 아이스크림이 만들어지는 과정에는 놀라운 과학적 원리가 숨어 있습니다. 특히 액체질소를 활용하면 일상적인 재료를 가지고도 신기한 실험을 통해 맛있는 디저트를 직접 만들어볼 수 있습니다. 과학은 단순히 책 속에만 존재하는 것이 아니라, 우리가 먹는 음식 속에서도 흥미로운 모습으로 우리를 기다리고 있습니다. 액체질소는 영하 196도라는 극저온의 상태를 유지하는 물질로, 닿는 모든 것을 순식간에 얼려버리는 강력한 냉각 성질을 갖추고 있습니다. 이러한 특성 덕분에 액체 상태의 우유나 혼합물을 액체질소에 떨어뜨리면, 표면이 즉각적으로 응고되면서 동그란 구슬 모양을 형성하게 됩니다. 일반적인 냉동 방식으로는 구현하기 힘든 이 급속 냉각 과정이 바로 구슬아이스크림 탄생의 핵심적인 비밀이라고 할 수 있습니다. 실험을 진행할 때는 무엇보다 안전이 가장 중요합니다. 액체질소는 매우 차갑기 때문에 피부에 직접 닿으면 동상을 입을 위험이 있어 항상 주의를 기울여야 합니다. 적절한 보호 장비를 갖추고 조심스럽게 재료를 다룬다면, 과학의 원리를 안전하게 체험하며 즐거운 시간을 보낼 수 있습니다. 차가운 연기가 피어오르는 실험 과정은 시각적인 즐거움까지 선사하며 우리를 신비로운 과학의 세계로 안내합니다. 우유와 다양한 재료가 섞인 혼합물이 액체질소와 만나면 순식간에 단단한 고체로 변합니다. 이때 발생하는 기화 현상과 급격한 온도 변화는 재료의 신선함을 그대로 유지하면서도 독특한 질감을 만들어냅니다. 완성된 아이스크림에서 풍기는 달콤한 향기는 실험의 성공을 알리는 신호와도 같습니다. 동글동글하게 맺힌 아이스크림 조각들은 시각적인 아름다움뿐만 아니라 입안에서 사르르 녹는 특별한 미식 경험을 제공합니다. 이처럼 과학 실험은 우리 주변의 평범한 재료들을 특별한 결과물로 바꾸어 놓는 힘을 가지고 있습니다. 액체질소를 이용한 구슬아이스크림 만들기는 물리적 상태 변화를 직접 눈으로 확인하고 체험할 수 있는 훌륭한 교육적 기회가 됩니다. 단순히 맛있는 간식을 만드는 것을 넘어, 그 속에 담긴 열역학적 원리와 물질의 특성을 이해하는 과정은 과학에 대한 호기심을 자극합니다. 일상 속 과학의 즐거움을 발견하는 것은 언제나 설레는 일입니다.

국립과천과학관과학실험교실🧪

물리학
화학

[강연] 눈으로 보는 분자 한 개의 화학 _ by김유수｜ 2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 6강 | 6강 ①

화학의 세계에서 전체를 이해하기 위해서는 그 구성 요소인 개별 분자를 들여다보는 과정이 필수적입니다. 예술가 크리스 조던이 수만 개의 알루미늄 캔으로 거대한 명화를 재현했듯, 우리 주변의 물질 또한 무수히 많은 분자의 집합체입니다. 아리스토텔레스는 전체가 부분의 합보다 크다고 말했지만, 화학자들은 그 '플러스 알파'의 가치를 극대화하기 위해 부분 하나하나의 성질과 방향을 파악하는 데 집중합니다. 분자 한 개를 직접 보고 조작하려는 시도는 바로 이러한 근원적인 호기심에서 시작되었습니다. 인류의 생존을 지탱해 온 비료 생산의 핵심인 하버-보슈법은 화학 반응과 촉매의 중요성을 잘 보여줍니다. 공기 중의 질소를 고정해 암모니아를 만드는 과정은 매우 높은 에너지 장벽을 넘어야 하지만, 촉매는 이 활성화 에너지를 낮추어 반응이 쉽게 일어나도록 돕습니다. 촉매는 스스로 변하지 않으면서도 반응물들이 서로 만나 생성물이 되도록 중매쟁이 역할을 수행합니다. 이러한 반응이 실제로 일어나는 장소인 고체 표면은 분자들이 흡착하고 확산하며 새로운 결합을 형성하는 역동적인 놀이터와 같습니다. 하지만 고체의 표면을 연구하는 것은 결코 쉬운 일이 아닙니다. 물리학자 파울리가 물질은 신이 만들었지만 표면은 악마가 만들었다고 한탄했을 정도로, 표면은 매우 불균일하고 복잡하기 때문입니다. 표면의 원자들은 내부 원자들과 달리 결합할 '손'이 남아돌아 외부 분자들과 민감하게 반응하며, 계단이나 결함 등 위치에 따라 각기 다른 특성을 보입니다. 따라서 거시적인 촉매 현상을 제대로 이해하기 위해서는 미시적인 관점에서 분자가 표면의 어느 지점에 어떻게 붙어 있는지 정밀하게 관찰해야 합니다. 원자 레벨의 미시 세계를 관찰하기 위해 과학자들은 주사 터널링 현미경(STM)이라는 혁신적인 도구를 개발했습니다. STM은 아주 뾰족한 탐침을 시료 표면에 가까이 가져갈 때 흐르는 미세한 터널링 전류를 이용합니다. 탐침과 표면 사이의 거리가 조금만 변해도 전류가 급격히 변하는 성질을 활용해, 원자 하나하나의 굴곡을 이미지로 형상화하는 것입니다. 이는 마치 세차장의 센서가 차의 표면을 따라 움직이듯, 피드백 회로를 통해 원자 단위의 해상도로 물질의 생생한 모습을 포착해냅니다. STM은 단순히 보는 기능을 넘어 분자를 조작하는 '칼'의 역할도 수행합니다. 탐침을 통해 전자의 개수와 에너지를 정밀하게 조절하여 특정 분자에 에너지를 주입할 수 있기 때문입니다. 이를 통해 원자를 하나씩 옮겨 글자를 쓰거나, 분자의 화학 결합을 끊어 새로운 물질로 변화시키는 것이 가능해졌습니다. 특히 영하 269도의 극저온과 우주 공간에 가까운 초고진공 환경을 조성하면, 분자의 움직임을 멈추고 개별 분자와 마치 대화를 나누듯 정밀한 화학 반응 실험을 진행할 수 있습니다. 분자를 효과적으로 제어하기 위해서는 '공명'이라는 개념이 중요합니다. 이는 분자가 에너지를 받아들이기 가장 좋은 상태에 맞춰 외부 에너지를 전달하는 방식입니다. 마치 와인 잔의 고유 진동수에 맞춰 소리를 내면 잔이 깨지는 것처럼, 분자의 진동 상태나 전자 상태에 딱 맞는 에너지를 주입하면 특정 화학 결합만을 선택적으로 끊을 수 있습니다. 이러한 정밀한 에너지 전달 기술은 분자를 억지로 끌고 가는 것이 아니라, 분자의 성질을 이해하고 설득하여 우리가 원하는 방향으로 유도하는 세밀한 화학의 정수를 보여줍니다. 단분자 수준의 연구는 미래의 에너지 변환 시스템과 신소재 디자인에 중요한 단서를 제공합니다. 광촉매, 연료전지, 유기 태양 전지 등 현대 과학의 핵심 기술들은 모두 표면에서 일어나는 분자들의 에너지 전달 과정에 기반하고 있기 때문입니다. 비록 지금은 극단적인 환경에서의 실험이 주를 이루지만, 분자 하나하나의 개성과 능력을 파악하려는 노력은 화학의 지평을 넓히고 인류의 꿈을 실현하는 밑거름이 됩니다. 눈으로 직접 확인하고 조작하는 단분자 화학은 이제 교과서 속 모델을 넘어 실제 현실의 영역으로 들어오고 있습니다.

김유수, 김지환

카오스재단카오스강연

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