[서울신문 나우뉴스]

마법의 양탄자라고 해도 좋을지 모르겠다. 미국 펜실베이니아대 연구진이 빛의 힘으로만 물질을 띄우는데 성공했다.

국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스’ 최신호(12일자)에 실린 연구논문에 따르면, LED 빛을 진공 챔버 바닥 부분을 비추자 그 안에 있는 폴리에스테르로 만든 작은 플라스틱 판이 춤을 추듯 빙글빙글 돌기 시작한다. 이는 이 플라스틱 판이 빛의 힘으로만 떠다니기 때문이다.

이처럼 빛이 물체를 움직이는 현상을 ‘광 영동’(光泳動·photophoresis)이라고 한다. 물체가 움직인다고 해도 일반적으로 떠오르는 것뿐으로, 대부분은 눈에 보이지 않는 에어로졸 입자를 말한다. 따라서 광 영동 현상으로 폴리에스테르 판을 안정적으로 띄우는 데 성공한 이번 사례는 획기적인 성과인 것이다.

이 플라스틱 판은 가벼우면서도 매우 얇게 만들 수 있는 폴리에스테르로 돼 있다. 하지만 빛으로 떠오르는 비결은 바닥 쪽에 코팅된 탄소나노튜브에 있다.

공기 중의 기체 분자가 따뜻한 물체에 충돌하면 아주 조금만 에너지를 흡수해 부딪혔을 때보다 더 빨리 반사한다. 하지만 표면 상태에 따라 기체 분자로 옮겨가는 에너지의 양이 달라진다. 폴리에스테르와 같이 매끄러운 표면에서는 그만큼 에너지가 옮겨가지 않고 움직임도 그다지 가속하지 않는다. 그런데 폭이 원자 몇 개분에 불과한 솜털 같은 탄소나노튜브가 밀집한 표면은 기체 분자와 열을 포착해 반사 속도를 단숨에 가속한다.

LED 빛을 쬐어 탄소나노튜브를 따뜻하게 하면 그 에너지가 기체 분자의 반사를 가속해 아주 작지만 곧바로 돌풍이 일어난다. 이것이 플라스틱 판을 떠오르게 하는 것이다.

앞서 마법의 양탄자라고 했지만 아직까지는 인간이 타기 위한 것은 아니다. 연구진이 이 기술을 응용하려고 하는 분야는 섣불리 연구가 어려운 것으로 악명 높은 중간권 조사다.

중간권은 지구 대기 고도 50~80㎞에 있는 층으로 성층권과 열권 사이에 끼어 있다. 연구가 어려운 이유는 단순히 거기에 갈 수단이 없기 때문이다. 고도가 높아질수록 공기가 얇아지기에 보통 비행기나 기구로는 그렇게까지 상승할 수 없다. 반면 인공위성으로 조사할 수 있을 정도로 공기가 얇지 않다. 거기에 인공위성을 날리려고 하면 공기의 마찰로 불타오르고 만다.

하지만 이런 환경이므로, 파란색과 붉은색의 벼락 같이 불가사의한 현상이 발생한다. 또 오존층 피해를 관찰하기 위해서도 중간권의 화학 조성을 조사하는 것은 중요한 일이다.

그래서 작은 센서를 탑재한 광부유 시스템을 중간권에 보내 조사를 진행하는 것이다. 시뮬레이션 결과에 따르면 6㎝ 수준의 플라스틱 판이라면 햇빛만으로 10㎎의 중량을 실어 나르며 중간권까지 부유할 수 있다.

10㎎은 빗방울의 5분의 1 정도에 불과하다. 하지만 기술의 진보 덕분에 실리콘 칩을 거의 티끌 같은 센서에 탑재할 수 있게 됐다.

이 광부유 시스템에는 현재 화성 유인비행을 계획하고 있는 미국항공우주국(NASA)도 관심을 보이고 있는 것으로 전해졌다. 왜냐하면 화성의 기압은 지구의 중간권 기압과 비슷하기 때문이다. 따라서 NASA가 조만간 화성을 둥둥 떠 다니는 기묘한 물체의 모습을 담은 영상을 보내올지도 모른다.

사진=펜실베이니아대

윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr

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