29일 포항공과대학은 핵에너지의 원료로 사용돼 효율적으로 에너지를 생산하면서도 원자폭탄의 재료로 사용 핵에너지의 원료로 인류의 생활에 필수적인 에너지를 생산하면서도 원자폭탄의 재료로 사용되는 ‘두 얼굴의 물질’ 플루토늄의 수수께끼가 포스텍 출신 ‘토종’ 박사가 소속한 연구팀에 의해 세계 최초로 풀렸다고 밝혔다.

심지훈씨(沈知勳ㆍ31세/現 미국 러트거스대학 물리학과 박사후연구원)가 소속된 러트거스 대학팀은 플루토늄이 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’