메타물질, 투명 인간 및 잠수함

메타물질, 투명 인간 및 잠수함

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■ 연세대 물리학과 김철구 교수팀은 2009년 소리를 그대로 통과시키는 음향 투명 망토를 만들 수 있는 물질을 세계 최초로 개발했다. 음파가 물체 주위를 돌아가게 만들어 물체가 그 자리에 없는 것처럼 속일 수 있는 음향 메타 물질(고성능의 스텔스 기능)을 만들었다. 메타 물질로 활용하면 투명 잠수함을 제작할 수 있다. 

메타 물질로 잠수함을 둘러싸면 수상함이나 대잠 헬기에서 발사한 음파가 잠수함에 부딪힌 뒤 반사되지 않고 그냥 통과하는 것이다. 마치 잠수함이 없는 것처럼 보이는 것이다. 투명 잠수함은 바다 속에서 적에게 탐지되지 않고 은밀히 작전을 수행할 수 있다.

■ 자연 속에 존재하는 원소들은 분자 구조를 바꾸기가 매우 어렵지만, 메타 물질은 분자 배열을 바꾸는 것이 가능하다. 메타 물질이란 금속이나 실리콘 등을 극소의 입자로 만들어 원하는 형태로 배열해 만든 일종의 인공 분자이다. 메타 물질은 빛이 반사하거나 양(陽)굴절하지 않고 음(陰)굴절을 해서 빛이 주위를 돌아 흘러 지나간다.

메타 물질로 만든 투명 망토를 입으면, 사람의 눈이 식별하는 가시 광선이 음(陰)굴절을 해서 물체 주위를 돌아 흘러 지나가기 때문에 사람의 눈에 보이지 않게 된다. 결국, 투명 인간이 가능하게 되는 것이다.

지금까지 나노 물질 연구는 주로 화학 분야에서 새로운 물질 합성을 연구하거나 생물학 연구자들이 DNA 변형 연구 등을 하면서 많은 비중을 차지했지만 물리학 연구자들이 집단 연구를 통해 체계적으로 연구를 하는 것은 2008년 출범한 이화 여대 양자 메타 물질 연구 센터(센터장 우정원 교수)가 처음이다.

■ 미국 버클리대학 장 시앙 교수팀은 메타 물질에 전자기장을 걸어 인공적으로 나노(10억분의 1m) 크기의 뫼비우스의 띠를 만드는 데 2010.12.22일 성공했다. 장 시앙 교수팀은 마름로 꼴로 된 메타 물질을 여럿 이어붙인 뒤 여기에 전자기장을 걸어 비트는 방법으로 뫼비우스의 띠 모양을 만들어냈다.

미국 애리조나주립대 연구팀 역시 2010.10월에 나선형 구조인 DNA를 마치 종이를 접어 붙이듯 조작해 DNA 뫼비우스 띠를 만드는 데 성공하기도 했다.

■ 미국 스코틀랜드 세인트 앤드루대학 연구진은 2010.11월에 ‘뉴저널 오브 파직스’ 저널에 발표한 논문을 통해 해리 포터 영화에 나오는 스타일의 투명 망토를 제작할 수 있는 새로운 형태의 물질 메타 플렉스를 개발하는 데 성공했다고 밝혔다.

스마트 물질을 개발할 때 두 가지 문제는 가시 광선과 상호 작용할 수 있을 만큼 작은 메타 원자를 만드는 것과 좀 더 유연한 모양이 되도록 딱딱한 표면에서 분리되는 메타 물질의 제작이다. 세인트 앤드루 대학 연구진이 새롭게 개발한 물질 메타 플렉스는 두 가지 문제점을 모두 해결했다.

메타 원자를 가시 광선과 상호 작용할 수 있도록 충분히 작게 만드는 것은 결코 쉬운 문제가 아니다. 그동안 개발됐던 물질은 단지 평평하고 딱딱한 표면에서만 가능해 실제 의류에 사용될 수는 없었다. 연구진은 딱딱한 표면에서 메타 원자를 자유롭게 할 수 있는 기술을 개발했고 이것을 쌓아 독립적인 물질을 제작할 수 있었다고 전했다.

메타 물질은 우리에게 궁극적으로 빛의 움직임을 조작할 수 있도록 해 주며, 앞으로 투명 인간이 입는 투명 망토를 포함한 스마트 직물을 제작하는 데 사용될 수 있다.

■ 메타 물질은 나노 크기에서 물질을 조작한 후 양자 역학이라는 도구를 이용해 이를 예측해 검증하는 등 다양한 연구를 통해 기술 진보를 이뤄낼 수 있다. 금 등의 금속과 탄소 원자 한층으로 이뤄진 2차원 물질인 그래핀, 반도체, 산화물, 유전체 등 연구 범위는 매우 넓다.

두가지 이상의 나노 미터 크기 물질들을 공간적으로 배열하거나 접합해 새로운 인공 구조를 만든 후 구조를 구성하는 입자나 특성을 제어함으로써 개별 나노 구조와는 다른 새로운 양자 역학적 성질을 구현해 내는 인공 구조물을 메타 물질 혹은 양자 메타 물질이라고 한다.

최근 학계에서 활발하게 논의되고 있는 초전도 메타 물질, 조셉슨 효과를 이용한 양자 메타 물질 등이 실험실에서 만들어질 수 있을 것으로 전망된다. 어떤 덩어리 물질이 공간의 3차원 중 어느 한 차원만이라도 나노 미터 크기를 가지면, 일반적인 물질과는 다른 물리적 성질이 나타난다. 이런 성질을 잘만 이해하고 응용하면 쓰임새는 매우 폭넓을 수 있다.

반도체, 레이저, 디스플레이, 초전도체, MRI 자기 공명 등 같은 새로운 기술들이 바로 양자 역학을 적용해 개발됐다. 이제 기술의 발달로 나노 크기나 원자 단위의 물질을 인공적으로 조작하고 제어할 수 있는 기술 수준이 됐기 때문에 새로운 개념의 물질 구조 제작이 가능해졌다.