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올해 수상한 '그래핀' 등 신물질 발견이 30차례 받아 최근 가장 주목받는 초고체' KAIST 김은성 교수 첫 발견 국내 과학계 기대 커져

 

오는 10일 노벨 과학상 시상식이 스웨덴 스톡홀름에서 열린다. 102번째를 맞은 올해 노벨상 역시 '일상에서 상상하지 못했던 획기적인 현상'의 발견자에게 주어진다는 전통에 충실했다. 물리학상 수상 업적인 '그래핀'이 그런 경우다.

물리학상의 경우 올해를 포함, 총 30번의 수상업적이 새로운 현상 혹은 신물질의 발견이었다. 역대 노벨 과학상 수상자들이 발견한 업적엔 현실을 초월한다는 의미의 ‘초(超·super)‘라는 접두사를 붙여 '초물리학'으로 분류해 왔다. 초전도체
(超傳導體·superconducting), 초유체(超流體·superfluid)가 대표적이다.
신(新)물질 역시  노벨상의 보고(寶庫)다. 과거 존재를 몰랐던 물질을 발견하거나 제조할 때마다 이를 활용한 새로운 분야와 산업생산이 뒤따랐고, 어김없이 노벨상이 주어졌다. 이 같은 전통에 비춰 최근 가장 주목받는 것이 '초고체(超固體·supersolid)'이다.
고체이면서도 액체처럼 흐르는 초고체는 그 자체로 신물질이자, 초물리의 새로운 분야이다. 특히 초고체의 존재는 한국 과학자가 발견한 것이어서, 국내 과학계의 기대가 높아지고 있다.

 

◆신물질 개발은 노벨상 수상의 지름길

역대 노벨상 수상 업적 중 신물질 발견의 대표적인 사례가 1903년 퀴리(Curie) 부부와 베크렐(Becquerel) 박사의 방사능 물질의 발견이었다. 퀴리 부인은 방사능 물질에 대한 후속 연구로 1911년 다시 노벨 화학상을 받았다. 이들의 연구는
20세기 원자력 시대의 서막이었다.미국의 쇼클리(Shockley)·바딘(Bardeen)·브래튼(Brattain) 박사는 전도체와 부도체를 오가는 반도체(半導體)를 제조하고 트랜지스터로 구현한 공로로 1956년 노벨 물리학상을 받았다. 반도체는 20세기 IT 혁명의 근간이 됐다.미국 국적의 일본인 과학자 시모무라 오사무 박사는 해파리에서 자외선을 쬐면 녹색을 띠는 형광단백질을 발견한 공로로 2008년 노벨 화학상을 받았다. 형광단백질을 유전자에 꼬리표처럼 달면 유전자의 기능을 확인할 수 있다.

 

올해의 신물질인 그래핀은 탄소원자 한 층으로 이뤄진 물질로 두께가 0.35㎚ (나노미터·1㎚는 10억분의 1m)에 불과하지만 그 강도가 강철의 200배,다이아몬드의 2배 이상이다.탄소가 긴 빨대 형태로 연결된 '탄소나노튜브(carbon nanotube)'의 경우도 노벨상 수상이 기대되는 신물질이다. 지난 1991년 이를 처음 발견한 일본의 이지마 수미오 박사(현 성균관대 나노과학기술원장)의 집 앞에는 매년 노벨상이 발표되는 10월만 되면 일본 취재진이 진을 치는 풍경이 수년째 반복되고 있다.

 

◆노벨상 광맥 찾아주는 초물리학
초물리학의 대표주자는 초전도체. 저항 없이 전기가 흐르는 물질이어서 한 번만 전기를 공급해줘도 지속적으로 전기가 흐르는 꿈의 물질이다. 초전도체 연구는 지금껏 4번에 걸쳐 9명의 과학자에게 노벨상을 안겨줬다. 초유체도 있다. 원래 유체는 끈적끈적한 점성이 있지만, 초유체는 점성이 없다. 초유체 분야에서도 2번에 걸쳐 4명의 과학자가 노벨상을 받았다.

 

이런 초물리학 계보를 잇는 새 존재가 바로 '초고체(超固體·supersolid)'이다.
초고체란 고체이면서도 액체처럼 흐르는 물질.헬륨은 상온에서는 기체이지만 섭씨 영하 270여도의 초저온에서는 딱딱하게 굳는다. 수증기가 온도가 내려가면서 물이 됐다가 얼음이 되는 것과 비슷한 원리다. 이렇게 만들어진 고체 헬륨을 용기에 담아 회전시켰더니 뜻밖의 현상이 나타났다. 고체라면 얼음 알갱이처럼 용기와 부딪히며 돌아야 하는데 고체헬륨은 물방울처럼 용기와 같은 속도로 회전하는 모습을 보였다. 고체이면서도 액체의 성격을 띠는 희한한 현상이 관찰된 것이다.바로 이 같은 초고체를 처음 발견해 2004년 '네이처'와 '사이언스'에 각각 발표한 사람이 KAIST 물리학과 김은성 교수. 김 교수의 두 논문은 현재까지 각각 345회, 287회나 인용됐다. 이런 추세로 미뤄 김 교수의 논문은 앞으로 10년 정도면 노벨상 수상자 논문의 평균 인용횟수인 1000회를 돌파할 것으로 보인다.

 

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