몇십 년 전까지만 해도 사람들은 고체가 결정이거나 아니거나 둘 중 하나라고 생각했습니다. 그런데 1982년 이스라엘의 재료공학자 댄 셰흐트만이 중간 어딘가에 있는 물질을 발견하면서 그 고정관념이 깨어졌지요. 그게 바로 2011년 노벨 화학상의 주인공이었던 ‘준결정’입니다. 준결정에 관한 이야기를 하려면 수학에 관한 이야기를 해야 합니다. 원자 배열이 규칙적이 되려면 몇 가지 조건이 있습니다. 평면을 똑같은 도형으로 빈틈없이 가득 채운다고 생각해 봅시다. 정삼각형으로는 그렇게 할 수 있습니다. 내각 하나가 60도이므로 한 점 주위에 여섯 개를 모으면 360도, 즉 평면이 됩니다. 정사각형, 혹은 직사각형으로도 할 수 있습니다. 한 점 주위에 네 개를 모으면 평면을 채울 수 있지요. 마찬가지로 내각 하나가 120도인 정육각형으로도 채울 수 있습니다.

 댄 셰흐트만은 1941년 이스라엘의 텔아비브에서 태어났습니다. 어린 시절에는 쥘 베른의 소설을 매우 좋아해 그 속에 등장하는 공학자처럼 되는 꿈을 꾸기도 했습니다. 재료공학으로 박사 학위를 받은 셰흐트만은 금속의 미세구조와 물리적 특성에 관해 연구했습니다. 1980년대 초에 셰흐트만은 미국 국립표준국(현 국립표준기술연구소)에서 방문연구원으로 있으면서 준결정을 발견하게 됩니다. 전자현미경으로 망간이 들어있는 알루미늄 합금의 결정 구조를 관찰했는데, 원자의 배열이 이상했습니다. 기존의 이론으로는 설명할 수 없는 결정 구조가 보였던 것입니다. 오각형을 규칙적으로 배열해 평면을 채웠다는 것과 같은 소리였습니다. 셰흐트만의 발견은 학계의 조롱을 받았습니다. 동료들조차 준결정이라는 게 있다는 것을 믿지 않았고, 셰흐트만은 쫓겨나듯 연구실을 옮겨야 했다는 일화도 있습니다. 이런 분위기는 10년이 넘도록 이어졌습니다.

 그러면 이름도 특이한 이 준결정이라는 물질은 어디에 쓸 수 있을까요? 아직은 준결정에 관한 이해가 충분하지 않아 산업적인 활용도가 크지는 않은 상황입니다.과학자들은 지금까지 알아낸 준결정의 특징을 이용해 여러 가지 응용 가능성을 연구하고 있습니다. 준결정 물질은 단단하고 잘 마모되지 않습니다. 열이나 전기를 잘 전달하지도 않습니다. 그래서 면도날이나 수술 기구 같은 고강도 금속을 만드는 데 쓸 수 있습니다. 프라이팬 코팅에 응용하면 음식물이 잘 들러붙지 않게 만들 수도 있고요. 또, 단열재, LED, 엔진 등에 쓰기 위한 연구도 계속 이루어지고 있습니다. 준결정의 구조를 이용해 새로운 합금을 만들 수도 있습니다. 금속은 결정의 구조에 따라 특성이 변하기 때문입니다. 기존 금속 합금의 구조를 바꾸어 새로운 소재를 만드는 것이지요. 혹은 원하는 특징을 얻기 위해 새로운 구조를 설계할 수도 있습니다. 기존의 이론을 깨뜨리며 등장한 준결정이 어떤 새로운 재료를 우리에게 제공해줄지 앞으로 기대가 됩니다.