모래상자속의 반중력

최근에 발표된 논문(T. Shinbrot and F. J. Muzzio, Phys. Rev. Lett. 81, 4365 (1998))에 의하면 모래상자 안에 물체를 넣고 흔들면 무거운 물체는 떠오르고 가벼운 물체는 가라앉아 마치 중력법칙을 무시하는 듯한 결과를 보인다고 한다. 이런 현상은 모래와 같은 소위 알갱이 물질(granular material)에서 일어나는 복잡한 현상의 일례라고 하겠다. 모래는 흔들면 "흘러" 내리기는 하지만 유체는 아니기 때문에 물체의 무게를 지탱할 수 있는데, 그렇다고 해서 고체도 아니다. 알갱이 물질의 흐름(granular flow)은 전자재료, 기름, 가스, 제지, 유리제조, 농업 등의 산업에서 중요한 역할을 한다. 즉, 이들 산업에 사용되는 염료, 의약품, 가공식품 등은 혼합고체인데 제조 유통과정에서 심하게 흔들리게되는 경우가 많아서, 흔들리더라도 잘 섞인 상태를 유지하는 것이 중요하기 때문이다. 하지만 물리학자들은 이러한 알갱이 물질의 가장 간단한 거동도 아직 방정식으로 설명하지 못하고 있다. 미국 뉴저지주 Rutgers 대학의 T. Shinbrot는 "우리 연구에서 다루는 실험은 세살 짜리 어린애도 할 수 있는 것들이다. 하지만 우리 물리학자들은 실험 결과를 설명할 수가 없다."라고 말한다.

알갱이 물질과 관련하여 물리학자들이 관찰한 여러 가지 이상한 현상 중에는 "브라질 땅콩" 효과라는 것이 있다. 깡통 속에 크기가 여러 가지인 땅콩을 넣고 흔들면 가장 큰 것들만 위로 올라오는 현상이다. 이러한 현상에 대한 설명으로는 깡통을 흔들면 땅콩들의 대류(convection)가 일어나는데, 용기 벽 주변의 좁은 띠와 같은 영역에서는 물질들이 계속 가라앉는 곳이 생기고, 용기 벽에서 떨어진 곳에서는 물질들이 위로 올라가게 된다는 것이다. 즉, 큰 땅콩들은 용기 벽 주위에 형성된 가라앉는 좁은 띠에 비해서 너무 크기 때문에 가라앉지 못하고 위에 갇혀 버리게 된다는 것이다. 하지만, Shinbrot와 그의 Rutgers 대학 동료인 F. Muzzio는 이와는 다른 현상을 발견했는데, 가라앉고 떠오르는 현상이 물체의 크기가 아닌 밀도와 관련이 있다는 것이다. 이들은 플라스틱으로 만든 부활절 달걀에다가 서로 다른 양의 쇠 조각을 채운 후에 아주 고운 유리가루 위에 놓고, 약 10 Hz 정도의 주파수로 심하게 흔들었다. 그랬더니 크기가 같은데도 불구하고 무거운 달걀은 위로 떠올랐고 가벼운 달걀들은 바닥으로 가라앉아 버렸다. 이러한 현상에 대해서 Shinbrot와 Muzzio는 무거운 물체는 관성이 크기 때문에 흔들 때마다 부드럽게 약간씩 들려지게 되고, 이때 주변에 있는 가루가 이 물체의 밑으로 들어갈 수 있게 되어 결국은 위로 밀려 올라간다는 것이다. 가벼운 물체는 주변의 입자들과 비슷하게 쉽게 흔들리게되고 따라서 주위의 입자들이 밑으로 흘러 들어갈 기회가 적어진다는 것이다. 이들은 이러한 계의 일차원 모델에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 결과가 이런 설명을 뒷받침한다고 한다. 인터넷(http://focus.aps.org/ v2/st26.html)에서 이 실험과 관련된 비디오 파일을 볼 수 있다.

나노튜브 늘이기

1991년에 발견된 탄소 나노튜브를 섬유나 미세한 선 형태로 만들어 고강도 재료나 새로운 미세 전자소자 재료로 이용하려는 노력이 진행되고 있다. 하지만 실린더 모양의 나노튜브의 기계적 성질은 실험자체가 매우 어렵기 때문에 아직 잘 알려지지 않고 있는데, 최근에 발표된 논문(M. B. Nardelli, B. I. Yakobson, and J. Bernholc, Phys. Rev. Lett. 81, 4656 (1998))에서는 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해서 최초로 다양한 나노튜브 구조가 기계적 응력에 대해 어떻게 반응하는지를 원자 수준에서 계산해 관심을 끌고 있다. 나토튜브는 육각형 패턴을 갖는 탄소원자들의 층상 벌집구조를 튜브형태로 말아 올려서 만드는데, 말아 올리는 각도에 따라 원하는 직경의 나노튜브를 만들 수 있다. 각도와 직경이라는 두 가지 파라미터에 따라 나노튜브의 기하학적구조가 정해지고, 나노튜브의 여러 가지 특성은 이 기하학적 구조에 크게 의존한다. 나노튜브를 축에 직각방향으로 자르면 나타나는 단면 원주에서 육각형의 모서리만 있을 경우를 "안락의자" 튜브라고 하고 90도 돌아간 육각형들이 존재해서 튜브의 모서리로 육각형의 꼭지점들이 튀어 나와있는 형태를 "지그재그" 튜브라고 한다. 물론 이 두 가지 구조 이외에도 다른 모양들이 많이 존재한다.

미국 Raleigh 소재 North CarolinaState University의 M. B. Nardelli와 그의 동료들은 나노튜브를 막대기라고 한다면, 얼마나 많은 힘을 가해서 잡아늘이면 이 막대기가 부러지는지 알고 싶었다고 한다. 이들은 원자수준의 상호작용을 고려하는 나노튜브의 정교한 컴퓨터 모델을 사용해서 이러한 연구를 했는데, 저온에서 많이 잡아늘일 때 튜브가 부러지는 것은 예상된 결과였지만, 고온에서 중간정도로 늘이면 (1300 K 이상에서 약 10 % 정도의 변형을 줄 때) 특정한 구조의 튜브는 소성변형(plastic deformation)을 일으키는 것을 발견했다. 즉, "안락의자" 튜브를 늘이면 칠각형과 오각형 구조가 형성되어 튜브 속으로 전파되고, 육각형들의 방향을 바꾸고 재배치하여 "지그재그" 튜브로 변화시키는 것을 알 수 있었던 것이다. 그런데, 튜브의 직경이 1.1 nm 이상인 경우는 이런 과정을 지나 튜브가 부러지게 되지만 이보다 작은 직경의 경우에는 변형과 재배치를 거쳐 지그재그 튜브가 다시 원래보다 가늘어진 안락의자 튜브로 되돌아오게 되고, 가늘어지는 과정은 나노튜브로서는 가장 작은 직경에 도달할 때까지 계속 된다고 한다. Nardelli는 자신과 동료들이 발견한 나노튜브의 연성(ductile behavior)을 이용하면 구조가 정확하게 제어된 나노튜브를 만들 수 있을지도 모른다고 한다. 나노튜브는 구조를 변화시키면 전기적 성질도 변하기 때문에 가열하고 늘이는 과정을 이용해서 디지털 전자회로의 기본요소인 반도체 접합을 만들 수 있는 가능성이 있다는 것이다.

미국 Berkeley 소재 University of California의 Steven Louie는 나노튜브의 전기적 성질이 구조에 민감하게 의존한다는 것은 이미 알려져 있는데, 이 논문은 구조가 기계적 성질에 강한 영향을 준다는 것을 증명한 것이기 때문에 나노튜브 응용에 "근본적으로 중요한" 결과라고 한다. 인터넷(http://focus.aps.org/v2/ st27.html)에서 이 실험과 관련된 비디오 파일을 볼 수 있다.

수수께끼 우주선(cosmic ray)

지구 외부 대기는 무려 1020 eV를 넘는 초고에너지를 가진 소립자들이 끊임없이 부딪히고 있다. 그런데, 우리 은하 주변에는 이런 초고에너지 우주선(ultrahigh energy cosmic rays, UHECRs)의 생성원이 발견되지 않았고, 만일 이들이 2천만 광년보다 더 멀리서 날아왔다면 우주 어디에나 존재하는 배경복사와 상호작용을 하기 때문에 이렇게 높은 에너지를 유지할 수가 없게 된다. 따라서 UHECRs의 존재는 수십 년 동안 물리학자들에게 커다란 수수께끼로 남아 있었다. 그런데 16 년 전에 제안되었으나 뉴트리노가 질량을 가지고 있어야한다는, 당시로는 허황된 전제를 필요로 하기 때문에 그 동안 관심을 끌지 못했던 이론이 최근에 뉴트리노가 실제로 질량이 있을지도 모른다는 실험결과가 나오면서 다시 주목받기 시작했다. 미국 Nashville 소재 Vandervilt University의 T. Weiler가 제안한 이 이론에 의하면 아주 멀리 떨어진 어떤 강력한 발생원에서 초고에너지의 뉴트리노를 내보낸다면, 뉴트리노는 우주배경복사와 거의 상호작용을 하지 않기 때문에 에너지를 잃지 않고 우리 은하 근처에 도달할 수 있고, 우리은하 주변의 뉴트리노와 충돌하면서 초고에너지 우주선을 생성한다는 것이다. 그런데 이 이론이 성립하기 위해서는 뉴트리노가 0.1­1 eV 정도의 질량을 가지고 있어야하는데, 최근 일본의 수퍼카미오칸데 뉴트리노 검출기에서 나온 결과로 볼 때 뉴트리노가 질량을 가질 가능성이 높아지면서 이 이론이 재조명을 받고 있는 것이다.

그런데, 최근에 발표된 논문(S. Yoshida, G. Sigl, and S. Lee, Phys. Rev. Lett. 81, 5505 (1998))에서 미국 University of Chicago의 G. Sigl과 동료들은 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해서 이 이론을 자세하게 연구하였는데, 초고에너지 뉴트리노가 우주 초기의 빅뱅 때 생성되어 남아있는 "유물" 뉴트리노와 충돌할 때 복잡하게 일어나는 입자들간의 연쇄적 상호작용을 모두 포함한 계산을 했다. 이들은 또 우리은하 외부에 존재하는 약한 자기장의 효과와 우주배경복사를 모든 파장에서 고려했으며, 초고에너지 뉴트리노의 존재를 상정한 것 이외에도 중요한 가정을 두 가지 더 했는데, 첫째는 뉴트리노 질량이 약 1 eV라는 것이고, 둘째는 우리 은하 주변에 모여 있는 거대성단의 중력장 때문에 우리은하 근처에 유물 뉴트리노가 약간 무리를 이루고 있다는 것이다. 이 연구팀의 계산 결과는 인공위성이나 지상에서 관측된 다른 고에너지 감마선과 우주선, 뉴트리노 등의 결과와 일치하도록 했다. Sigl은 시뮬레이션의 결과가 원래 이론이 "완전히 정신나간 것은 아니라는"것을 보여주었지만, 관측된 모든 결과들과 맞추기 위해서는 "상당히 극단적인 파라미터 값들을 사용해야 했다"고 한다. 하지만 UHECRs를 설명하기 위해 제시된 다른 이론들은 전혀 증명된 적이 없는 더 이상야릇한 고에너지 물리의 개념들에 의존하고 있다고 지적한다. 이에 비해서 자신들의 모델은 초고에너지 뉴트리노원으로 알려진 활성은하핵(active galactic nuclei)에 대해서만 잘 이해하지 못하고 있을 뿐, 이들이 일단 생성되었다면 여러 입자간의 잘 알려진 다양한 상호작용을 정확하게 포함시킬 수 있다고 한다.
이 시뮬레이션은 향후 5-10 년 사이에 새로운 지상 또는 인공위성 탑재 검출기로 측정할 수 있는 결과들을 예측하고 있기 때문에, 이론의 진위여부가 분명하게 판가름 날 수 있. Weiler는 이러한 새로운 시뮬레이션이 현재 알려진 모든 효과를 포함하고 있으면서도 원래 이론이 관측과 불일치하지 않을 수 있다는 것을 보여주고 있기 때문에 대단히 중요한 것이라고 한다. 그" 튜브로 변화시키는 것을 알 수 있었던 것이다. 그런데, 튜브의 직경이 1.1 nm 이상인 경우는 이런 과정을 지나 튜브가 부러지게 되지만 이보다 작은 직경의 경우에는 변형과 재배치를 거쳐 지그재그 튜브가 다시 원래보다 가늘어진 안락의자 튜브로 되돌아오게 되고, 가늘어지는 과정은 나노튜브로서는 가장 작은 직경에 도달할 때까지 계속 된다고 한다. Nardelli는 자신과 동료들이 발견한 나노튜브의 연성(ductile behavior)을 이용하면 구조가 정확하게 제어된 나노튜브를 만들 수 있을지도 모른다고 한다. 나노튜브는 구조를 변화시키면 전기적 성질도 변하기 때문에 가열하고 늘이는 과정을 이용해서 디지털 전자회로의 기본요소인 반도체 접합을 만들 수 있는 가능성이 있다는 것이다. 미국 Berkeley 소재 University of California의 Steven Louie는 나노튜브의 전기적 성질이 구조에 민감하게 의존한다는 것은 이미 알려져 있는데, 이 논문은 구조가 기계적 성질에 강한 영향을 준다는 것을 증명한 것이기 때문에 나노튜브 응용에 "근본적으로 중요한" 결과라고 한다. 인터넷(http://focus.aps.org/v2/ st27.html)에서 이 실험과 관련된 비디오 파일을 볼 수 있다. [편집위원 박용섭 (park@kriss.re.kr)]