1890년대 독일 화학자 결정화 가설 일부 세계 첫 규명

표준연 "정전기 공중부양장치 만들어 과포화 400%까지 구현"

1890년 대 독일 화학자 빌헬름 오스트발트가 물질의 결정화 과정에서 준안정 상태(메타 세이브)를 거쳐 새로운 물질상이 생기는 현상을 발견하고, 가설을 제시했다.

그러나 그 이후 이를 완벽하게 규명하지는 못했다. 측정장비 기술력이 따라가지 못한데다 워낙 짧은 시간에 일어나고, 결정화 사례에 따라 결과물이 다르게 나타났기 때문이다.

한국표준과학연구원 극한측정연구팀이 이를 부분적으로 규명했다고 16일 밝혔다.

표준연 연구진.(왼쪽부터 왕레이 박사후과정, 조용찬 선임, 이근우 책임연구원.(사진=KRISS)

이를 규명한 논문은 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈 4월호에 에디터 하이라이트로 선정됐다.

조용찬 극한측정연구팀 선임연구원은 "온도와 압력 등에 따라 물질상이 변할 때 불안정 상태서 안정화 상태로 바로 가지 않고, '중간상'을 거친다는 것을 오스트발트 가설이라고 한다'며 "이에 대한 결정화 과정의 일부를 규명했다고 보면 된다"고 설명했다.

연구팀은 소금 포화도에 주목했다. 포화도가 높아질수록 순도 높은 결정이 생기고, 잡음 없이 결정화 과정을 측정할 수는 있지만 기존 기술로는 200% 수준의 과포화 까지만 측정 가능했다.

연구팀은 이를 극복하기 위해 정전기 공중부양장치를 독자 개발했다. 두 전극 사이에 중력을 이겨낼 만큼의 강한 전압을 걸어 물체를 부양시키는 방법으로 수용액을 공중에 띄웠다. 이 결과 400%의 초과포화 상태를 구현하는데 성공했다.

조용찬 선임 연구원은 "용질의 분자 구조 대칭성이 변하면서 물질 결정화 경로가 바뀌고 새로운 물질상이 형성되는 과정을 세계 최초로 관측했다"고 말했다.

표준연이 자체 개발한 정전기 공중부양장치 개념도.

연구팀은 또 정전기 공중부양장치를 이용해 4000K(3726 °C) 이상의 초고온 환경을 구현하고 내열 소재인 텅스텐(W), 레늄(Re), 오스뮴(Os), 탄탈럼(Ta)의 열물성을 정밀 측정하는 데도 성공했다.

이근우 책임연구원은 "우주 발사체, 항공기 엔진, 핵융합로에 사용되는 초고온 내열 소재의 정확한 열물성 값을 제공할 수 있게 돼 설계의 안전성·효율성을 크게 높일 것"으로 기대했다.

연구팀은 향후 정전기 공중부양장치를 기반으로 초고온·초과포화·초고압의 극한 환경에서 소재의 물성을 정밀하게 측정할 수 있는 ‘극한소재 통합 측정 플랫폼’을 구축할 계획이다.