나노의 세계, “원자는 99.999%가 텅 빈 공간”

우주를 구성하는 100%의 물질들 중 인간이 눈으로 확인한 물질은 4.6%의 원자(Atom))다. 지금까지 물리학자들은 가장 가벼운 1번의 수소(H) 원자로부터 118번의 가장 무거운 우누녹튬(Uuo) 원자들을 발견했다. 우리가 보는 공간의 물체들은 이들 원자들로 이루어져 있고, 우리 인간도 구리, 철, 아연 등 22개의 원자들로 이루어져 있으며, 원자의 크기는 0.1나노이다. 

11965년에 양자전기역학(Quantum electrodynamics)으로 노벨 물리학상을 수상한) 나노 기술의 아버지이자 MIT의 리처드 파인먼(Richard Feynman, 1918~1988))교수는 1959년 12월 29일, 미국 캘리포니아공대에서 개최된 미국 물리학회에서의 강연에서 '바닥에는 충분한 공간이 있다. 물리학의 새로운 영역으로의 초대(There is Plenty of Room at the Bottom. An Invitation to Enter a New Field of Physics)')라는 강연을 했다. 원자를 들여다보던 파인먼 교수는 원자를 이루는 전자, 중성자, 양성자를 제거하면 바닥에는 충분한 공간이 있다는 것을 발견했다. 

다시 말해 원자는 99.9999%가 텅 비어있다는 뜻이다. 그는 그 텅 빈 공간인 건물 터에 무수한 세계를 건설할 수 있다고 역설했으며, 앞으로 2천~3천 개의 원자로 구성된 작은 기계를 제작할 수 있게 될 것이라고 말했다. 나노 기술을 천명한 것이다.

2그 후 1981년에 IBM의 연구진들이 최초로 주사터널현미경(STM)을 개발하여 원자나 분자 단위의 관측이 가능하게 함으로써 본격적인 작은 세계에 대한 관심이 높아졌으며, 1989년에는 이를 이용해 니켈(Nickel) 결정체 위에 35개 크세논(Xe) 원자를 배열해 IBM의 로고를 새기는데 성공했다. 

이후 원자력현미경(AFM)과 같은 본격적인 측정 및 제어 장비들이 속속 개발되어 원자 및 분자 수준에서의 물질 제어와 합성이 가능하게 되었다. IBM은 더 나아가 2013년에 수천 개의 일산화탄소 분자 위에 각각 두 개의 크세논 원자를 배열하여 세계에서 가장 작은 동영상(영화)을 만들어 유투브에 공개했는데, 바로 ‘소년과 그의 원자(A Boy And His Atom)’이며, 동영상 마지막에는 이들을 배열해 ‘THINK’라는 단어를 만들어 보여주기도 했다).

2008년에 미국 유씨엘에이(UCLA) 대학과 아리조나주립대학의 과학자들이 원자는 텅 빈 공간이라는 원리를 이용하여 이산화탄소의 양을 82.6배 이상 빨아들이는 새로운 마이크로 구조의 기공물질을 개발했다(Banerjee et al., Science, 2008)).

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따라서 이산화탄소 만을 포집하는 마이크로 기공물질을 화력발전소의 굴뚝이나 자동차 배기가스통에 코팅하면 지구 온난화를 막을 수 있다. 그리고 주기 별로 코팅을 떼어내 저장하면 또 다른 화학물질을 만들 수 있으므로 이산화탄소의 사이클 관리도 가능하다. 

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같은 해에 미국 렌슬러공대(Rensselaer Polytechnic Institute)의 연구원들이 텅 빈 원자 공간에 빛을 100% 흡수하는 세상에서 가장 검은 탄소나노튜브 실린더를 개발했다(Yang & Ajayan et al., Nano Letters, 2008). 빛을 가두면 빛이 직진하지 못하게 되어 검은 색이 된다. 따라서 이를 활용하면 빛을 흡수하는 태양전지의 효율을 높여 태양에너지나 전자제품에 활용할 수 있다.

2011년에 미국 보잉(Boeing)의 HRL 연구소, 유씨어바인대(UCI), 그리고 캘리포니아공대의 과학자들은 세상에서 가장 가볍고 깃털처럼 날리는 최첨단 금속 소재인 미세금속격자(Ultralight metallic microlattice)를 최초로 개발하고(Schaedler et al., Science, 2011)), 그간 개발한 내용을 2015년 10월에 공개했다(Youtube, 6 Oct 2015)). 

우리 몸을 이루는 뼈 속의 구조도 원자로 이루어져 있으므로 텅 빈 공간이라는 원리에서 얻은 바이오 영감(Bio inspiration)으로 개발되었다. 

이 미세금속격자는 무게가 스티로폼(Styrofoam)의 100분의 1에 불과해 깃털처럼 가벼워 사람 어깨에서 이 소재를 떨어뜨리면 바닥에 떨어지기 까지 약 10초가 걸린다. 미세금속격자는 소재의 99%가 공기(Air)로 구성돼 있다. 속이 비어있는 얇은 튜브(hollow tubes)로 만들어져 있고, 이 안에는 공기가 가득 차 있으며, 튜브를 격자무늬로 연결해 만들었다. 

이 튜브의 굵기는 사람 머리카락(0.1mm=100,000나노)의 1000분의 1(100나노=에이즈 바이러스 크기) 정도이다. 얇고 가볍지만 금속인 만큼 단단하다. 이 소재로 달걀을 감싼 다음 건물 25층 높이에서 떨어뜨린 결과, 달걀이 깨지지 않았다(Egg wrapped in the material would survive a 25 story drop). 

이 소재는 향후 비행기 내부의 사이드 패널이나 승객 위의 짐칸, 통로 등에 사용할 수 있을 것이며, 그럴 경우 비행기 무게를 극적으로 줄일 수 있어 에너지 효율을 높일 수 있다).  

사본 -Microlattice_highRes

미래학자들은 더 나아가 2030년~2040년 경이 되면 이 텅 빈 공간인 원자 안에 약물이나 지식을 넣어 혈관이나 뉴런에 투입하면 병을 고칠 수 있을 뿐만 아니라 지식을 순식간에 학습 할 수 있다고 예측한다. 아니 언젠가는 원자가 아니라 원자핵(nucleus)에 있는 펨토(femto, 10의 마이너스 15승=천조 분의 1미터) 크기의 양성자(proton)와 중성자(neutron)에 지식을 넣어 빛으로 쏠 수도 있다. 우리가 텅 빈 공간인 원자에 도전해야 하는 이유가 여기에 있다.


참고자료
● Web Elemenets – http://www.webelements.com/
● 1965년 소립자 물리학의 양자전기역학 연구공로로 노벨물리학상 수상 – 
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1965/index.html
● Richard Feynman – http://www.feynmanonline.com/
● There is Plenty of Room at the Bottom – http://www.its.caltech.edu/~feynman/plenty.html
● Wikipedia – https://en.wikipedia.org/wiki/IBM_(atoms)
Cnet – IBM's 35 atoms and the rise of nanotech(28  Sep 2009)
http://www.cnet.com/news/ibms-35-atoms-and-the-rise-of-nanotech/
The New York imes – 2 Researchers Spell 'I.B.M.,' Atom by Atom – New York Times(5 Apr 1990). http://www.nytimes.com/1990/04/05/us/2-researchers-spell-ibm-atom-by-atom.html
● Youtube via IBM – A Boy And His Atom: The World's Smallest Movie – IBM A Boy And His Atom: The World's Smallest Movie(30 Apr 2013)
https://www.youtube.com/watch?v=oSCX78-8-q0
● Banerjee et al, "High-Throughput Synthesis of Zeolitic Imidazolate Frameworks and  Application to CO2 Capture”, Science, Vol 319, No.5865, pp.939-943. 15 February 2008.          
http://www.sciencemag.org/content/319/5865/939.abstract
● Schaedler et al., "Ultralight Metallic Microlattices", Science, Vol. 334, no. 6058, pp. 962-965, 18 Nov 2011. http://www.sciencemag.org/content/334/6058/962.full
HRL Laboratories, LLC – HRL Researchers Develop World's Lightest Material(17 Nov 2011)
http://www.hrl.com/hrlDocs/pressreleases/2011/prsRls_111117.html
● Youtube via Boeing: Lightest. Metal. Ever(6 Oct 2015)
https://www.youtube.com/watch?v=k6N_4jGJADY
● * RT.com – ‘99.99 percent air’: Boeing releases video of revolutionary lightweight metal(11 Oct 2015). https://www.rt.com/news/318280-super-light-air-metal/
* The Daily Mail – The end of heavy metal: Boeing shows off material that is 99.99% AIR and could lead to new generation of planes and spaceships(12 Oct 2015)
http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-3270060/The-end-heavy-metal-Boeing-shows-material-99-99-AIR-lead-new-generation-planes-spaceships.html


[아스팩미래기술경영연구소, 김들풀 기자  itnews@itnews.or.kr]  

자타가 공인하는 대한민국 대표 미래학자인 차원용 박사가 이끄는 지식경영교육 연구소이다. 정보기술, 나노기술, 바이오기술, 에너지기술, 물자원기술, 식량기술 등을 연구하며, 특히 이들 학문과 기술의 융합을 연구하고 있다.

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