우주서 자란 소금 결정…"피라미드 조각품처럼 변했다"

미세중력 환경에서는 일반적인 소금 결정이 지구에서는 보기 어려운 독특한 형태로 성장한다는 사실을 보여주는 사진이 공개됐다. 과학매체 라이브사이언스는 국제우주정거장(ISS)에서 자란 염화칼륨 결정 사진을 최근 보도했다. 이 사진은 미국 항공우주국(NASA) 우주비행사 돈 페팃이 최근 공개한 것으로, 중력 영향이 거의 없는 환경에서 소금 결정이 어떻게 성장하는지 생생하게 보여준다. 공개된 사진 속 염화칼륨 결정은 조각품을 연상시킨다. 계단식 층이 안쪽으로 말려 들어가는 피라미드 형태를 띠고 있으며, 지나치게 정교한 모습 때문에 컴퓨터 그래픽처럼 보일 정도다. 하지만 과학자들에 따르면 이러한 독특한 구조는 미세중력 환경에서 자연스럽게 형성되는 것이다. 미세중력은 흔히 말하는 완전한 무중력 상태와는 다르다. 미국 버틀러대학교 화학·생화학과 앤 윌슨 교수는 ISS의 우주비행사들이 지구 표면보다 약 100만 분의 1 수준의 중력을 경험한다고 설명했다. 이처럼 중력이 크게 약해지면 인체뿐 아니라 액체와 결정이 성장하는 방식도 크게 달라진다. 중력의 영향이 줄어드는 대신 분자 간 인력과 극성(polarity) 같은 힘이 결정 성장에 더 큰 영향을 미치기 때문이다. 윌슨 교수는 “미세 중력 하에서는 분자 간 인력과 극성(polarity)이라는 두 가지 힘이 중력보다 훨씬 더 두드러지기 시작한다"고 설명했다. 이러한 환경에서는 식품과 스포츠음료의 나트륨 대체제로 널리 사용되는 염화칼륨이 지상 실험실에서는 거의 재현할 수 없는 방식으로 결정화된다. 지구에서는 성장하던 결정이 점차 무거워지면서 처지거나 깨지고, 결국 용기 바닥으로 가라앉는다. 반면 미세중력 환경에서는 결정이 처음 형성된 위치에서 계속 바깥쪽으로 성장할 수 있다. 염화칼륨은 원래 정육면체 형태의 결정을 만드는 물질이다. 하지만 미세중력에서는 결정이 면 전체보다 모서리와 가장자리에서 더 빠르게 성장하면서 중심부가 비게 되고, 그 결과 사진 속과 같은 속이 빈 피라미드 형태의 구조가 만들어진다. 과학자들은 이러한 성장 방식을 '호퍼 성장(hopper growth)'이라고 부른다. 이 현상은 염화칼륨 뿐 아니라 일반 식탁용 소금(염화나트륨)에서도 나타난다. 결정이 성장하는 과정에서 새로운 모서리가 형성되면 성장 방향이 바뀌면서 사진에서 볼 수 있는 우아한 곡선 무늬도 만들어진다. 연구진은 이러한 결정이 시각적으로 아름다울 뿐 아니라 과학적으로도 큰 의미를 지닌다고 설명했다. 중력의 영향을 거의 받지 않고 성장한 결정은 결함이 적은 경우가 많아 이상적인 결정 구조를 연구하는 데 유용하다. 이는 향후 반도체를 비롯한 첨단 소재의 제조 공정을 개선하는 데도 도움이 될 것으로 기대된다.