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영화 <;판타스틱4>;에는 화염이 활활 타오르는 슈트를 입고 적과 맞서 싸우는 히어로 휴먼 토치가 나와. 이런 모습을 가능케 하는 메타물질이 있다고 해. 바로 적외선을 조절해 뜨거운 열도 마음대로 다룰 수 있는 메타물질이지.

유압을 조절해 열의 흐름을 내 맘대로

지난 1월 중국 후안대학교 물리학과 지핑 후안 교수팀은 열 전도와 대류를 스위치처럼 껐다 켰다 할 수 있는 메타물질을 공개했어요. 자연에 있는 물질들은 열이 균일하게 흐릅니다. 열을 원하는 대로 다루기 위해서는 열이 전달되는 정도인 전도와 열이 흐르는 성질인 대류를 조절해야 하지요. 이전까지는 열 전도와 대류를 한 번에 조작할 수 있는 메타물질이 없었어요. 연구팀은 전도와 대류를 한 번에 조절하기 위해 액체와 고체가 함께 섞인 메타물질을 만들었습니다. 

고체 구조는 스펀지처럼 구멍이 뚫려 있는 다공성 구조로서, 물 등의 액체 물질이 그 사이를 옮겨 다니며 열을 대류시켜요. 연구팀이 액체가 흐르며 발생하는 압력인 유압을 조절하자 고무처럼 열이 통하지 않는 상태를 만들 수도 있었고, 반대로 금속처럼 열이 잘 통하는 상태로 설정할 수도 있었어요. 지핑 교수는 “열 흐름을 자유롭게 통제하는 건 언제나 인류의 꿈이었다”며 “열적 메타물질은 체내 세포 활동을 관리하거나 건축 소재 등 열 관리가 필요한 다양한 영역에서 쓰일 것”이라고 전망했어요.

우주를 파헤쳐줄 알파벳 F?

지난 1월, 미국 퍼듀대학교 전기공학부 주빈 제이콥 교수팀 역시 열 복사를 다루는 독특한 메타물질을 공개했습니다. 복사란 멀리서 온 태양열이 우리를 따뜻하게 해주는 것처럼, 중간 전달 물질 없이도 파동을 통해 온도를 데워주는 걸 말해요. 태양에서 오는 적외선을 살펴보면 일정한 회전을 하며 지구에 도달해요. 하지만 지구에서 발생한 적외선은 대부분 회전성을 띠지 않으며 일관성이 없었죠.

연구팀은 우주에서 지구로 도달한 회전 적외선을 모방해 열적 메타물질을 만들었어요. 회전을 일으키기 위해 알파벳 F 모양이 반복되는 구조를 찾았죠. 연구팀은 이어 F 모양이 정렬된 패턴과 거울 패턴, 회전하는 패턴 등의 구조로 만들었어요. 연구팀이 패턴별로 적외선을 방출시켜 보니, F가 회전하는 패턴에서 방출되는 적외선에서 태양의 적외선처럼 회전 편향이 발생한다는 걸 알아냈습니다. 제이콥 교수는 “열적 메타물질이 열 복사를 효과적으로 제어하면 열 복사의 전반적인 이해가 커질 것”이라며 “적외선 회전을 조절하게 되면 지금보다 훨씬 정교한 열 센서를 만들어낼 뿐 아니라, 별의 기원을 밝히는 등 우주 연구에도 기여할 것”이라고 말했어요.