2003년 개봉한 공상과학 영화 ‘더 코어’의 과학 자문을 맡았던 미국 캘리포니아 공과대학 데이비드 스티븐슨 교수는 ‘지구 핵으로의 미션’이라는 네이처 논문에서 “우리가 살고 있는 지구의 표면은 그 위와 그 아래의 경계”라고 표현했다. 즉, 지표면을 경계로 보았을 때 새롭게 탐사할 대상을 찾는다면 우주 혹은 땅속이라는 의미로 해석된다.
하지만 현대 인류가 지구를 넘어 우주로 세계관을 확장해 가고 있는 반면, 정작 우리가 발을 딛고 있는 땅속에 대한 관심이나 연구는 극히 일부분에 불과한 것이 사실이다.
이러한 상황 속에서 연세대학교 이용재 교수 연구팀이 광물학에 기초한 지구 내부 연구를 통해 땅속 깊은 곳에 존재하는 초수화 광물을 최초로 발견, 미지의 세계로 남아있는 지구의 비밀을 밝히는 데에 한 걸음 다가섰다.
남들이 머리 위를 쳐다볼 때 발아래 땅속 세상을 바라보며 지구 현상에 대한 답을 찾는 과학자, 이용재 교수를 만났다.
지진과 화산활동의 새로운 원리 제시
지구과학은 지구 전체를 대상으로 하는 연구 분야임에도 불구하고 우리가 눈으로 직접 확인할 수 있는 영역은 지구 표면에 한정되어있다. 지구의 가장 깊은 곳까지 시추할 수 있는 깊이가 약 12km라고 할 때 이는 지구 전체 부피의 약 0.4%에 불과하다.
따라서 우리가 살고 있는 지표면을 제외한 99.6%의 지구는 여전히 미지의 세계라고 할 수 있다.
이용재 교수는 눈으로 확인할 수 없는 지표 아래 세상을 보기 위해 소형 고압기로 땅속의 고온 고압 환경을 만들고 방사광가속기로 그 변화를 관찰하며, 지진 발생과 화산 활동에 대한 근원적인 이해를 추구하고 있다.
“이슈가 되고 있는 지진이나 화산활동 등의 지질 재해들도 땅속을 구성하는 광물과 암석의 변화를 통해 일어납니다. 땅속을 구성할 것으로 예상되는 광물을 대상으로 땅속의 높은 온도와 압력 조건을 만들어 연구하면 간접적으로나마 지구의 속을 들여다볼 수 있고, 이를 통해 지표의 여러 지질 현상들의 근원을 설명할 수 있습니다.”
이처럼 지구 내부의 원리를 밝혀내 지구 현상에 대한 답을 찾고자 오랜 시간 연구에 몰두해 온 결과 지난 2017년, 그동안 지표에서는 관찰된 적 없는 초수화(超水和)* 점토광물이 지각판이 충돌하는 땅속 깊은 환경에서 만들어질 수 있음을 세계 최초로 규명했다.
*초수화: 특정 조건에서 물을 추가로 흡수해 팽창하는 현상
초수화 광물은 그동안 알려진 어떤 광물보다 많은 양의 물을 함유한다. 초수화 광물의 형성과 분해 과정은 지각판의 섭입대를 따라 물이 이동하는 새로운 방법을 보여주며 지진과 화산활동에도 영향을 줄 수 있다.
태평양 주변 일본 열도와 같은 곳은 지각판의 충돌하며 지진과 화산활동이 빈번하게 일어나 ‘불의 고리’라고 불린다. 이는 충돌하는 지각판 한쪽이 땅속으로 들어가면서 섭입대를 이루고 그 섭입대를 따라 광물과 암석의 온도와 압력이 높아지면서 일어나는 변화의 산물이다.
또한 바닷속 깊은 곳에 위치한 섭입대는 지표의 물이 지구 내부로 순환하기 시작하는 입구이기도 하다.
“섭입대를 따라 발생하는 지진과 마그마의 형성을 이해하는 방법 중 하나는 실제 섭입대의 깊이에 따른 온도와 압력 조건을 만들어 지각판을 구성하는 광물이 어떤 변화를 겪는지 관찰하는 것입니다. 따라서 우리 연구팀은 섭입하는 지각판 최상부를 구성하는 주요 광물 중 하나인 카올리나이트를 섭입대 땅속 75km 깊이에 해당하는 조건, 즉 대기압의 25,000배 압력과 200℃의 온도로 물과 함께 가열했습니다.
실험 결과 물 분자가 광물의 구조 속으로 대거 유입되고 부피가 30% 이상 증가하는 초수화 반응을 일으킨다는 사실을 확인할 수 있었습니다.”
이렇게 만들어진 초수화 카올리나이트는 지각과 맨틀을 구성하는 주요 광물 중에 가장 높은 물 함량을 보였고, 섭입대 접촉면의 물성을 변화 시켜 지진과 화산 발생 메커니즘의 변화에 영향을 줄 수 있음을 유추할 수 있게 되었다.
“초수화 된 카올리나이트에 섭입대 약 200km 깊이에 해당하는 온도와 압력을 가하면 물이 대거 빠져나오면서 다른 맨틀광물로 상전이(Phase transition)하는 현상이 관찰됩니다.
이를 통해 섭입대 심부에 물이 공급되며 마그마가 만들어지고 화산활동으로 이어질 수 있다는 설명도 가능하죠. 카올리나이트의 초수화 현상은 마치 섭입대 75km와 200km 사이에서 작동하는 스펀지에 비유할 수 있습니다. 즉, 물이 지하 심부에서 광물 속으로 숨었다가 더 깊은 곳에서 다시 유출되는 현상이며, 이 과정이 지진과 화산 활동에 영향을 줄 수 있음을 설명할 수 있습니다.”
방사광 활용한 고온·고압 연구로 땅속 변화 이해
무엇보다 이용재 교수의 이번 연구는 전통적인 광물학의 연구주제를 확장하고 방사광가속기와 같은 최첨단 시설을 이용한 학문 간 융합연구를 통해 새로운 원리를 밝혀냈다는 점에서 의미가 크다.
땅속의 고온·고압 환경은 다이아몬드 앤빌셀이라고 하는 소형 고압기를 이용해 만들어낼 수 있다. 한 쌍의 다이아몬드를 바닥 면이 서로 마주 보도록 정렬시키고, 그 사이에 눈에 보이지 않을 만큼의 시료를 가두고 눌러주면 대기압의 만 배 단위로 압력이 만들어진다.
또한 다이아몬드 주변에 소형 열선을 감아 온도를 높여주면 땅속 깊이에 따른 온도와 압력 조건을 동시에 만드는 것이 가능하다.
이때 다이아몬드 사이에 있는 소량의 시료에서 일어나는 변화를 측정하려면 방사광가속기와 같은 거대 연구시설이 필요하다. 이에 연구팀은 2년에 걸쳐 햇빛보다 약 일억 배 밝은 X-선 전자기파를 만들어내는 미국과 유럽의 방사광가속기, 우리나라 포항 방사광가속기와 같은 시설들을 활용해 연구를 완성할 수 있었다.
“이번에 연구한 섭입대 환경은 땅속 수십~수백 km 깊이로 지구 자기장을 만들어내는 외핵까지의 깊이와 비교하면 약 1/15에 불과하고 지구 중심까지와 비교하면 약 1/32에 불과합니다. 앞으로 더 깊은 땅속에서 일어나는 변화를 이해하기 위해서는 대기압의 백만 배 이상의 초고압과 수천도 이상의 초고온을 만들어내고 이를 측정할 수 있는 보다 전문적인 고온·고압 연구시설이 필요합니다.
이번 연구를 완성하기 위해 미국 스탠퍼드와 시카고, 독일 함부르크의 고온·고압 전문 연구시설을 갖춘 방사광가속기를 함께 활용해야 했는데, 우리나라 포항 방사광가속기에도 지구 속 연구에 특화된 실험시설이 갖춰졌으면 하는 바람입니다.”
이용재 교수 연구팀의 이 연구 결과는 지구과학 분야에서 최고 권위를 자랑하는 ‘네이처 지오사이언스(Nature Geoscience)’에 2017년 11월 게재되며 새로운 지구 현상에 대한 관심을 불러일으켰다.
더불어 2019년 1월에는 과학기술정보통신부와 한국연구재단으로부터 ‘이달의 과학기술인상’을 수상하며 다시 한 번 주목을 받았다. 방사광을 활용한 고온·고압 연구로 땅속 깊은 곳에서 일어나는 지질 작용과 지진 및 화산활동을 이해하는 새로운 아이디어를 제공했다는 점에서 의미가 크기 때문이다.
그렇지만 이러한 성과가 하루아침에 이뤄진 것은 아니다. 한 분야에 매진하며 인내와 노력으로 일궈낸 이용재 교수의 지난 세월과 땀, 수많은 도전의 역사가 담겨 있다.
이용재 교수는 지난 2002년 압력에 따른 초수화 현상을 세계 최초로 보고한 ‘네이처(Nature)’ 논문을 시작으로 2014년 ‘네이처 케미스트리(Nature Chemistry)’에 초수화 현상을 응용한 화학반응을 보고한 바 있다. 이후로도 초수화 현상을 지구 내부에 대한 이해로 확장하기 위한 연구를 꾸준히 진행했고, 그 결과 지하 깊은 곳에 숨겨진 초수화 광물을 세계 최초로 발견하는 성과를 거둘 수 있었다.
지구과학이 중심이 된 다학제 간 고압 연구
지구과학 분야의 저력 있는 과학자로 이름을 알린 이용재 교수는 2018년 12월, 또 하나의 의미 깊은 연구성과를 내놓으며 다시 한 번 과학계의 이목을 집중시켰다.
재료, 물리, 화학 등 다양한 학문 분야를 아우르는 국제 공동연구를 통해 나노 실리콘의 형상이 압력을 통해 조절될 수 있다는 사실을 세계 최초로 규명한 것이다.
연구팀은 이차원 나노시트 형상으로 합성된 실리콘(규소 원소, Si)에 대기압의 수십만 배에 달하는 압력을 가한 뒤 상압으로 전환하는 과정에서 기존의 이차원 나노시트가 일차원 나노와이어로 형상이 전환되는 것을 발견했다. 이 연구 결과는 세계적인 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재되었으며, 이용재 교수가 이끄는 고압광물 물리화학 연구단을 비롯해 연세대학교 신소재공학과 최헌진 교수팀, 미국 사우스캐롤라이나대학 화학과 및 나노센터 토마스 보그트(Thomas Vogt) 교수팀, 중국 길림대학 물리학과 얀밍 마(Yanming Ma) 교수팀이 공동으로 참여했다.
실리콘은 지각에서 가장 풍부한 금속 원소로 우수한 반도체 특성과 친환경성을 갖춰 우리의 일상생활에 널리 활용되고 있다. 최근에는 실리콘의 활용도를 수소 생산이나 태양 전지, 초소형 전자회로 등으로 확장하기 위해 다양한 나노 형상의 실리콘 합성 연구들이 진행되고 있다.
“우리 연구팀은 나노 물질의 입자 크기와 모양을 조절하는 새로운 변수로 압력을 활용했습니다. 압력은 물질 연구에 있어서 아직 생소하지만 그만큼 새로운 발견의 가능성이 높은 분야로, 원자 간 결합에 직접적인 변형을 가할 수 있는 깨끗한 변수죠. 따라서 압력을 통해 물질마다 고유한 물리적·화학적 특성을 제어하고 기존과는 다른 광학, 전자, 자기, 촉매 및 기계적 속성을 만들 수 있다고 생각했습니다.”
연구팀은 다이아몬드 앤빌셀을 이용해 두 개의 다이아몬드 사이에 소량의 실리콘 나노시트 시료를 가두고 대기압의 만 배 단위로 압력을 증가시켰다. 더불어 포항 방사광가속기에서 만들어내는 고에너지 고휘도의 X-선을 다이아몬드 사이의 시료에 조사했다.
측정된 회절 패턴을 분석한 결과, 대기압의 약 이십만 배(20 Giga-pascal)까지 압력이 증가함에 따라 나노시트 실리콘은 기존에 알려진 것과 비슷하게 단계적 상전이를 보여줬다.
반면 압력이 감소하는 과정에서는 대기압의 약 팔만 배(8 Giga-pascal)에서부터 특정적인 회절 패턴을 보이지 않는 비정질(X-ray amorphous)로 전환되어 대기압까지 유지됨이 관찰되었다. 압력 처리에 의해 나노시트 실리콘이 비정질로 전환된 이 지점부터 연구팀은 본격적인 다학제 간 공동연구를 가동하기 시작했다.
“X-선 회절 패턴으로는 더 이상 특별한 정보를 구할 수 없는 상황에서 압력 처리를 통해 만들어진 비정질 물질에 대한 추가적인 정보를 위해 전자현미경 이미징과 구조 및 물성 계산법을 적용했습니다. 압력 처리 후 회수된 비정질 실리콘 시료에 대해 첨단 고각도-암시아-주사투과 전자현미경을 이용해 관찰한 결과 기존의 나노시트 형태 실리콘 형상이 대부분 나노와이어 형태로, 즉 이차원(2-Dimension) 판상 물질에서 일차원(1-Dimension) 선형 물질로 전환되었음을 확인할 수 있었습니다.”
이렇게 만들어진 실리콘 나노와이어는 폭이 약 15나노미터, 길이는 약 1마이크론 범위로 관찰되어 차세대 이미지 센서 소자 물질 합성의 새로운 방법이 될 수 있음을 보여줬다.
또한 일차원 나노와이어로 만들어진 실리콘은 기존의 벌크 실리콘이나 나노시트 실리콘보다 약 6배 정도 낮은 열전도도를 보이는 것으로 계산되어 향후 개선된 열전 소자 물질로서의 가능성도 함께 제시했다.
더 깊은 연구로 지구 탄생과정 밝혀내고파
이용재 교수는 연구의 싱크탱크라고 할 수 있는 ‘고압광물 물리화학 연구단’을 이끌며, 의미 있는 성과들을 창출하고 있다. 연구실의 가장 큰 특징은 언제나 자유롭게 의견을 나누고 교감할 수 있는 ‘열려 있는 연구실’을 지향한다는 점이다.
연구원들이 심리적인 부담을 느끼지 않고 자유롭게 자신의 연구를 수행할 수 있도록 지원하는 것이 지도교수의 역할이라고 생각하기 때문이다.
즉, 남들보다 빠르게 걷는 것이 중요한 것이 아니라 얼마나 가치 있고 깊이 있게 걷는지가 중요하다는 생각이다.
그리고 가치 있는 걸음을 내딛기 위해서는 자기 자신에게 ‘왜’라는 질문을 던져야 한다고 강조한다.
“한 가지 연구 결과물을 만들어내기 위해서는 다양한 장치와 분석법이 필요하고 여러 사람과의 협업도 필요합니다. 많은 시행착오도 거치게 되고요. 이러한 과정 속에서 가장 중요한 점은 올바른 동기부여라고 생각합니다.
내가 왜 이런 연구를 하는지, 이것이 어떤 질문에 대한 답을 줄 수 있는지를 바로 이해할 수 있을 때 올바른 문제 설정과 추진력이 생기는 것이죠. 같은 땅속에 대해 연구라 하더라도 다양한 질문들과 그것을 해결할 수 있는 서로 다른 연구 방법들이 있습니다.
저는 학생마다 개성과 장점을 존중하고 그것이 올바른 동기부여를 통해 각자의 색깔과 모양을 만들어갈 때 새로움을 찾을 수 있다고 믿습니다.”
이용재 교수는 앞으로도 이러한 열린 연구를 기조로 더욱 다양하고 탄탄한 연구성과를 낼 수 있도록 노력을 기울일 예정이다. 무엇보다 우리가 살아가는 땅위의 모든 지질 현상과 환경이 지구 속에서 일어나는 일들의 부산물에 불과할 뿐인 만큼 지구의 작동원리를 바르게 이해하기 위한 연구를 수행하는 데에 일차적인 목표를 두고 있다.
나아가 보다 더 깊은 땅속 연구와 함께 충격 실험으로도 고압 연구를 확장해 지구와 행성의 숨겨진 비밀과 함께 탄생의 신비까지 밝혀내는 데에 몰두할 계획이다.
“최근에는 첨단 연구시설의 개발을 통해 기존에 접근하기 힘들었던 새로운 현상들을 관찰하고 연구할 수 있는 조건들이 갖춰지고 있습니다. 대표적으로 우리나라에도 X-선 자유 전자 레이저(X-ray Free Electron Laser)라고 불리는 거대 연구 장치가 포항에 건설되었는데요. 기존 포항 방사광가속기의 빛보다도 약 100억 배 밝은 빛을 약 100조분의 1초 단위로 만들어내어 원자들이 움직이고 결합하는 시간스케일로 물질의 변화를 관찰할 수 있게 되었죠. 미래 지구과학에서 풀어야 할 중요한 문제 중 하나는 지구나 행성의 형성 과정을 이해하는 것입니다.
무수한 운석 충돌의 결과로 지구나 행성이 만들어졌다고 할 때 이러한 환경에서 물질이 겪게 되는 변화를 고출력 레이저와 X-선 레이저를 이용해 모사하고 관찰할 수 있게 되었습니다.
앞으로는 보다 더 깊은 땅속에 대한 연구와 함께 충격 실험으로도 고압 연구를 확장해 지구와 행성의 숨겨진 비밀들과 함께 탄생의 신비까지도 밝혀보고자 합니다.”
눈에 보이지는 않지만 튼튼한 기초가 건물의 수명을 좌우하듯이 연구도 마찬가지다. 앞으로 펼쳐갈 이용재 교수의 연구가 기대되는 이유는 눈에 보이지 않지만, 결과적으로 큰 차이를 가져오는 기본이라는 가치를 소중하게 생각하기 때문이다.
성과에 급급하지 않고, 언제나 본질을 중시하는 그의 곧은 정심(正心)은 지구과학의 미래를 여는 새로운 도전으로 이어지고 있다.
인터뷰를 마치며 이용재 교수는 앞으로 우리나라 과학계를 이끌어갈 후학들이 지구 내부를 향한 여정에 동행해 주길 바라는 마음을 전했다.
“지구과학에는 공룡만큼 재미있는 미지의 세계가 많이 있습니다. 최근 NASA의 인사이트(InSight) 미션에서도 볼 수 있듯이 세상의 관심은 이미 지구의 내부를 넘어 이웃 행성인 화성의 내부로도 확장되고 있습니다. 과학의 재미는 알면 알수록 더 알아야 할 것이 많이 보이고, 특히 지구는 풀어야 할 숨겨진 내용을 무궁무진하게 간직하고 있습니다. 앞으로 지구 내부를 향한 여정에 미래 과학자를 꿈꾸는 여러분들이 함께 할 수 있기를 바랍니다.”
<이 기사는 사이언스21 매거진 2020년 4월호에 게재 되었습니다.>
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