'두 얼굴의 물질' 플루토늄의 수수께끼, POSTECH 토종 박사가 풀어

핵에너지의 원료로 사용돼 효율적으로 에너지를 생산하면서도 원자폭탄의 재료로 사용 핵에너지의 원료로서 인류의 생활에 필수적인 에너지를 생산하면서도 원자폭탄의 재료로 사용되면 한 순간 수많은 사람들의 목숨을 앗아가는 '두 얼굴의 물질' 플루토늄의 수수께끼가 포스텍 출신 '토종' 박사가 소속한 연구팀에 의해 세계 최초로 풀렸다.

심지훈 씨(沈知勳ㆍ31세/現 미국 러트거스대학 물리학과 박사후연구원)가 소속된 러트거스 대학팀은플루토늄이 가진 다양하고 특이한 물성의 원인이 전자의 동역학(動力學)적인 요동 때문이라는 사실을 처음으로 규명하는데 성공했다.

이 연구결과는 세계적 과학저널인 '네이처(Nature)' 3월 29일자를 통해 공개됐다.

플루토늄은 온도나 압력에 따라 최고 25%까지 부피가 변하고, 공기 중에서 고온이 되면 산화가 빨리 진행되며, 할로겐과 직접 반응해 화합물을 생성하는 등 특이한 물성을 가지고 있어 환경의 변화에 쉽게 변화하기 때문에 장기간 안정적으로 보관하기 어려웠다. 그러나 지금까지 플루토늄이 어떤 이유로 환경에 따라 다양한 반응을 보이는지 그 원인이 규명되지 않았다.

심지훈 박사 팀은 '동역학적 평균장 이론(Dynamical Mean Field TheoryㆍDMFT)*'을 이용, 플루토늄이 다양한 현상을 보이는 것은 원자가(原子價) 전자의 동역학적 요동 때문이라는 사실을 규명해냈다.

이번 연구에 의해 플루토늄의 물성이 규명됨에 따라 위험물질로 분류되는 플루토늄의 안정적이면서도 보다 장기적인 보관이 가능하게 돼 방사성폐기물처분시설 등에 활용될 것으로 기대된다.

또 심 박사팀이 플루토늄의 물성 규명을 위해 개발한 방법론은 다양한 물질의 물성을 유한(有限) 온도에서 파악할 수 있는 방법으로 기존의 '밀도범함수* 이론(Density Functional TheoryㆍDFT)'을 혁신적으로 보완할 수 있는 이론으로 평가받고 있다. 1964년 개발돼 물리, 화학, 재료공학 등 다양한 분야에서 활용되고 있는 '밀도범함수 이론'은 극저온 물성 해석에만 적용돼 최근 많은 주목을 받고 있는 고온초전도체 등 신물질 연구에서는 한계가 있다고 지적돼왔다.

이번에 심 박사팀에 의해 개발된 새로운 방법론은, 기존의 한계를 뛰어넘어 다양한 온도나 물질에서도 적용하도록 획기적으로 보완됨으로써 신물질 개발과 물성연구에 크게 활용될 수 있을 것으로 전망된다.

이 연구논문의 제1저자인 심지훈 박사는 포스텍 물리학과에서 학사와 박사(통합과정) 학위를 받은 한국 토종 박사 출신으로, 지난 2005~2006년 한국학술진흥재단의 해외 박사후연구원 연수 지원을 받아 현재 미국 러트거스대학 코틀리어 교수(G. Kotliar) 그룹에서 연수를 받고 있다.

※ 평균장이론
입자간 상호작용이 있는 복잡한 다체문제를 한 입자가 다른 입자들이 만드는 평균적 힘의 장(場) 하에서 운동하는 간단한 단일입자 문제로 근사(近似)하는 이론적 방법론

※ 밀도범함수이론
분자와 고체물질의 전자구조 물성 분석에 활용되는 방법론으로 물질계의 바닥상태와 총에너지가 전자밀도의 함수로 주어진다는 성질을 사용하여 전자간 상호작용이 있는 복잡한 다체문제를 근사하여 푸는 평균장이론

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