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노벨 화학상에 셰흐트만





5각형 ‘준결정’ 발견 … 자동차 등 경량 합금 연구에 기여





올해 노벨 화학상은 1982년 알루미늄과 망간 합금에서 5각형 구조의 준결정(準結晶·Quasicrystal)을 처음 발견한 이스라엘 과학자에게 돌아갔다.



 스웨덴 왕립과학원 노벨위원회는 테크니온-이스라엘기술연구소 다니엘 셰흐트만(70·사진) 교수를 화학상 수상자로 선정했다고 5일 발표했다. 셰흐트만 교수의 발견은 고체 결정구조에 대한 개념과 합금 설계에 획기적인 전환을 가져온 것으로 평가받고 있다.



 





‘은-알루미늄 합금’의 준결정 원자 모델. 스페인 알함브라 궁전의 아라베스크(arabesque·중세 이슬람 형식의 모자이크)처럼 보인다. 준결정은 이처럼 수학적 규칙에 따라 완벽한 질서를 보이면서도 반복되지 않는 패턴을 갖는 것이 특징이다. [미국 에임스연구소]



기존에는 고체의 경우 원자가 일정하게 배열돼 있는 구조밖에 없다고 믿었다. 그 구조는 계란이 계란판에 질서정연하게 정렬돼 있는 형태를 연상하면 된다. 더구나 5각형 형태의 결정은 자연계에 존재하지 않는 것으로 믿었다. 5각형 결정으로는 어떤 공간이나 2차원 평면을 꽉 차게 채울 수 없다는 것이 이미 수학적으로 증명됐기 때문이다. 그래서 5각형 결정구조로는 제대로 형태를 갖춘 고체도 나올 수 없다고 본 것이다. 3각형이나 4각형, 6각형 결정은 그렇지 않다. 셰흐트만 교수는 알루미늄과 망간 합금을 특수현미경으로 관찰한 결과 5각형과 3각형 대칭구조가 섞여 있는 것을 발견했다. 합금 내부에서 나타나는 그러한 대칭구조는 일반 금속처럼 일정하게 배열돼 있는 것도 아니고, 그렇다고 완전히 헝클어져 있는 상태도 아니었다. 그래서 준결정이라는 이름이 붙었다.



 준결정구조는 경량 금속합금을 설계하는 데 결정적 기여를 하고 있다. 다양한 합금을 만들 수 있기 때문이다. 이렇게 만들어진 준결정 금속은 기존 금속에서 볼 수 없는 여러 가지 장점을 갖고 있다. 연세대 김도향(재료공학) 교수는 “준결정을 이용해 개발한 경량 마그네슘 합금의 경우 기존 합금에 비해 30% 정도 더 가볍지만 강도가 뛰어나고, 기름이나 물이 잘 스며들지 않는다”고 말했다. 과학자들은 현재 준결정 금속을 이용해 프라이팬의 표면 코팅제나 에너지 절약형 발광다이오드(LED), 열 절연체 등의 소재로 개발 중이다. 마모에도 아주 강하다. 형태를 자유롭게 할 수 있는 것도 장점이다. 그러나 잘 깨지기 때문에 아직 활발하게 상용화되지는 않고 있다.



 국내에서는 김 교수팀이 준결정 마그네슘 합금으로 휴대전화 외장재용 시제품을 개발했다. 과학자들은 향후 준결정 금속이 자동차나 비행기용 재료 등 그 쓰임새가 무궁무진할 것으로 보고 있다. 자연계에서는 2009년 여름 러시아 동부 카티르카강에서 채취한 새로운 종류의 광물에서 준결정구조가 처음으로 발견돼 ‘이코사헤드라이트(Icosahedrite)’라는 이름이 붙었다.



박방주 과학전문기자, 강찬수 기자
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