"금, 녹는점 14배 온도서 고체상태 유지"…이론 한계 넘어 논란

작성일 07-25

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 <img alt="금속 원소인 금(Au)의 녹는점은 섭씨 1063도다. 금이나 은을 포함한 일부 고체 물질은 가열 방법에 따라 알려진 녹는점을 넘어서도 고체 상태를 유지하는 '과가열(Superheating)' 상태에 도달할 수 있다. 게티이미지뱅크 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202507/25/dongascience/20250725083009250ther.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="KLKHpluSd6" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img2.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202507/25/dongascience/20250725083009250ther.jpg" width="658">
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 금속 원소인 금(Au)의 녹는점은 섭씨 1063도다. 금이나 은을 포함한 일부 고체 물질은 가열 방법에 따라 알려진 녹는점을 넘어서도 고체 상태를 유지하는 '과가열(Superheating)' 상태에 도달할 수 있다. 게티이미지뱅크 제공
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 미국 연구팀이 고체 금(Au)을 녹는점보다 약 14배 높은 온도까지 가열하고 매우 짧은 시간 동안 고체 상태를 유지했다는 연구결과를 발표했다. 어떤 고체도 녹는점의 약 3배 이상 온도에서 고체 상태를 유지할 수 없다는 기존 이론적 한계를 넘어선 실험 결과다. 일부 과학자들은 실험의 기술적 한계를 지적하며 데이터 신뢰성에 의문을 제기했다.
 토마스 화이트 미국 네바다대 물리학과 교수팀이 금을 녹는점의 약 14배까지 가열한 뒤 수조분의 1초 동안 고체 상태를 유지하는 데 성공하고 연구결과를 23일(현지시간) 국제학술지 '네이처'에 공개했다.
 금이나 은을 포함한 일부 고체 물질은 가열 방법에 따라 알려진 녹는점을 넘어서도 고체 상태를 유지하는 '가열(Superheating)' 상태에 도달할 수 있다. 
 고체는 액체보다 기본적으로 무질서도(엔트로피)가 낮지만 이론적으로 고체를 녹는점의 약 3배까지 가열하면 고체와 액체의 무질서도가 같아질 것으로 예측된다. 1988년 물리학자들은 어떤 물질도 녹는점의 약 3배 이상에서 고체 상태를 유지할 수 없다는 이론적 한계를 제시했다. 
 물리학의 기본 법칙인 열역학 제2법칙에 따르면 어떤 고립된 물리 시스템(계)은 무질서도가 항상 늘어나는 방향으로 변화한다.
 고체의 엔트로피가 액체 상태보다 커지면 상태가 변화할 때 오히려 엔트로피가 낮아지기 때문에 열역학 법칙에 위배된다. 이 때문에 임계 온도를 넘어선 고체는 외부 요인이 없이도 불안정해지면서 즉시 액체로 변할 것으로 예상됐다. 이 현상을 '엔트로피 재앙(entropy catastrophe)'이라고 부른다.
 연구팀은 레이저로 50나노미터(nm, 1nm는 10억분의 1m) 두께의 매우 얇은 고체 금 샘플을 가열하고 샘플에 방사선인 X선 광자를 발사해 금의 온도를 측정했다. 연구팀은 금의 온도가 녹는점인 1337캘빈(K, 절대온도로 0K은 약 -273.15℃)보다 약 14배 높은 1만9000K에 도달했다는 측정 결과를 얻었다. 이 상태는 몇 조분의 1초 동안 유지됐다.
 화이트 교수는 "금 원자들이 무질서해질 만한 시간을 갖기 전에 높은 온도에 도달하기 때문에 열역학 법칙을 위반하지는 않는다"고 설명했다. 
 일부 과학자들은 이번 측정 결과가 기술적으로 정확성이 떨어진다고 봤다. 금에서 반사돼 검출되는 광자가 100억개 중 10개 수준에 불과하다는 점이다. 측정 시점에 샘플 내 금 원자들의 온도가 모두 비슷한 상태인 '열평형 상태'라고 보기 어려워 반사된 광자가 금의 온도 데이터를 정확히 반영하지 못한다는 의견도 나왔다.
 연구팀은 기술적 한계를 일부 인정하면서도 실험 결과가 통계적으로 문제가 없으며 금이 빠르게 열평형에 도달할 수 있다고 반박했다.
 연구팀은 "이번 실험에서는 원자가 팽창할 만한 시간이 없었다는 점이 특징"이라며 "과열의 한계가 기존보다 훨씬 높거나 존재하지 않을 가능성을 시사한다"고 밝혔다.
 한편 이번 연구결과는 의도치 않게 나온 성과다. 기존 실험 목표는 금이 얼마나 고온에서 고체 상태를 유지할 수 있는지가 아니라 금이 얼마나 빨리 가열될 수 있는지에 초점을 두고 실험했기 때문이다.
 &lt;참고 자료&gt; - doi.org/10.1038/s41586-025-09253-y - nature.com/articles/334050a0
 [이병구 기자 2bottle9@donga.com]
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