초음파 쏴서 기포 터트리면…온도 1만5000도 ‘플라스마 현상’

초음파의 충격으로 기포가 소멸할 때 온도가 1만5000도 이상 올라가면서 플라스마가 형성되고 빛이 발생(사진)한다는 실험 결과가 나왔다.

미국 일리노이대 화학과 케네스 스슬릭 교수팀은 ‘음파발광’으로 불리는 이 현상이 발생할 때의 내부 변화를 최초로 분석했다고 ‘네이처’ 3월 3일자에 발표했다. 음파발광은 초음파를 용액에 쏘면 미세한 기포가 생기다가 소멸하면서 빛을 내는 현상으로 ‘플라스크 속의 별’로 불린다. 언뜻 말이 안 되는 것 같은 이 현상이 어떻게 생기는 것일까.

음파는 공기의 밀도가 낮은 영역과 높은 영역이 주기적으로 바뀌면서 주위로 퍼진다. 이때 밀도가 낮은 영역에서 팽창된 기포는 밀도가 높은 영역에 들어가면 수축하게 된다. 그런데 기포의 수축 속도가 너무 빨라 내부 기체의 에너지가 빠져나가지 못하고 가운데로 집중되면 온도가 급격히 올라가며 빛을 낸다.

연구자들은 미량의 아르곤 기체가 포함된 진한 황산 용액에 초음파를 때려 음파발광을 일으켰다. 스슬릭 교수는 “아르곤의 스펙트럼은 플라스마 상태, 즉 원자에서 떨어져 나온 고에너지의 전자와 충돌했음을 보여 준다”며 “기포의 중심온도는 1만5000도 이상일 것으로 추정된다”고 말했다.

한편 이 결과가 발표되자 ‘기포핵융합’에 대한 관심이 다시 높아지고 있다. 기포핵융합이란 음파발광 과정에서 내부 온도가 1억도 이상 올라가면서 플라스마 상태가 되고 중수소가 융합해 헬륨이 만들어지고 중성자와 함께 에너지가 나오는 현상. 태양 내부에서 일어나는 핵융합이 음파발광으로 가능하다면 에너지 혁명이 일어날 수도 있다.

강석기 동아사이언스기자 sukki@donga.com