물질 구조 분석 만능도구

우리 몸의 70% 이상을 차지하는 물은 여전히 많은 부분이 미지의 영역으로 남아 있다. 물은 액체 상태에서 고체 상태로 바뀌면 부피가 커진다는 것과 어떤 물질과도 쉽게 섞을 수 있어 화학반응의 이상적인 매개체가 된다는 점에서 매우 독특한 성질을 갖고 있다. 이런 물을 주제로 하는 연구에서 가장 유용하게 사용되는 도구는 뭘까? 바로 중성자이다.

원자핵을 구성하는 입자인 중성자는 전하를 띠지 않아 물질에 깊숙이 투과할 수 있다. 이 과정에서 물질의 원자핵과 상호작용하며 구성 성분이나 결합구조에 대한 정보를 주기 때문에, 과학자들에게 중성자는 아주 소중한 분석 도구가 돼 준다. 특히 물을 관찰할 때 중성자의 역할이 빛을 발한다.

물은 잘 알려져 있다시피 한 개의 산소 원자에 두 개의 수소 원자가 붙어 있는 형태다. 그런데 수소는 자연에 존재하는 원소 중 가장 작고 가벼워 관찰하기가 매우 까다롭다. 그렇지만 중성자를 이용하면 이런 수소도 효과적으로 볼 수 있다. 물 분자의 움직임이나 구조 변화를 실시간으로 추적 관찰하는 데에도 중성자가 유용하다. 물을 포함해 수소로 구성되는 다양한 물질을 탐구하기 위해서는 중성자를 대량으로 생산하는 장치가 필요하다. 이때 등장하는 것이 양성자가속기이다. 양성자가속기를 이용하면 안정적으로 중성자를 생산하는 것이 가능하다. 앞으로 경주에 있는 양성자가속기를 활용해 물의 비밀을 한 꺼풀 더 벗겨 낼 수 있기를 기대한다.