금색, 은색, 구리색 등 우리는 원소의 색을 눈으로 본다. 소금(NaCl‧염화소듐) 맛처럼 혀끝으로 원소의 맛도 느낄 수 있다. 그렇다면 귀로 원소의 소리를 들을 수는 없을까. 화학자이자 음악가인 워커 스미스 미국 인디애나대 연구원은 원소의 특징을 고유한 소리로 형상화하고, 음악 주기율표를 완성해 2023년 3월 26일 열린 미국화학회(ACS) 봄 학술대회에서 발표했다.

종소리 내는 칼슘, 천사의 합창 같은 아연

빛과 소리는 모두 파장이다. 빛의 파장은 색을 결정하고, 소리의 파장은 음의 높낮이(피치)를 결정한다. 과학자들은 이 점에 착안하여 과학 대중화 차원에서 빛을 소리로, 즉 전자기파를 음파로 바꾸는 ‘데이터 음성화(Data Sonification)’ 프로젝트를 종종 진행해왔다. 대표적으로 미국 항공우주국(NASA)은 블랙홀, 성운 등 우주의 빛을 음악으로 들려주는 과학 대중화 사업을 벌인다.

▲ 허블우주망원경이 성운 NGC6357 내 산개성단 피스미스24(Pismis 24) 성단을 촬영한 이미지를 음향화한 결과. ⒸNASA, ESA and Jesús Maíz Apellániz

반면, 미시세계의 원소를 소리로 재현하는 작업은 드물었다. 원소는 외부에서 에너지를 받으면 빛을 방출한다. 햇빛을 프리즘에 통과시키면 무지개색이 나타나듯, 원소가 방출한 빛은 여러 색의 빛이 합쳐진 결과물이다. 이 구성은 각 원소 고유의 특성이다. 지문으로 인물을 특정하듯, 원소가 방출한 빛을 분석하면 원소의 정체를 알아챌 수 있다는 것이다.

스미스 연구원은 원소가 방출한 빛 스펙트럼이 원소 고유의 특징이라는 점을 고려했을 때, 이를 음향화하면 시각이 아닌 청각으로도 원소를 구분할 수 있다는 아이디어에서 연구를 시작했다. 데이비드 클레머 미국 인디애나대 화학과 교수와 명문 음대인 제이콥스음악학교가 프로젝트를 도왔고, 함께 원소의 스펙트럼 데이터를 실시간으로 음악으로 변환할 수 있는 컴퓨터 모델을 개발했다.

가시광선 색상 내에서 보라색은 빨간색 2배의 주파수를 가지고, 음악의 옥타브 역시 2배의 주파수 차이를 보인다. 빛을 옥타브로 표현해낼 수 있다는 의미다. 스펙트럼 빛을 인간이 들을 수 있는 가청 범위의 소리로 바꾸기 위해 개발된 컴퓨터 모델은 각 주파수를 10~12배 축소해 들려준다.

스미스 연구원은 “일부 원소에서는 수백에서 수천 개의 주파수가 나오지만, 컴퓨터 모델을 이용하면 실시간으로 화음과 리듬을 만들 수 있다”며 “수소나 헬륨 등 단순한 원소는 간단한 화음을 들려주지만, 칼슘은 리듬감 있는 종소리, 아연은 천사 합창단의 노래를 들려준다”고 말했다.

▲ 연구진이 미국화학회 학술대회를 통해 발표한 원소의 소리 ⒸAmerican Chemical Society

소리 붓으로 그린 그림

데이터 음성화가 화학을 음악으로 바꾸는 작업이라면, 반대로 음악이 화학에 영향을 미치기도 한다. 일부 농가에서는 식물에게 음악을 들려주는 ‘음악농법’을 쓴다. 음파가 세포벽에 물리적 자극을 주어 광합성 등 대사를 증진시키는 원리이다. 하지만 소리는 에너지가 낮아 화학반응에는 이용할 수 없다는 것이 현재까지의 정설이었다.

기초과학연구원(IBS) 복잡계 자기조립 연구단은 2020년 기존 통념과 달리 소리가 물리현상뿐만 아니라 화학반응까지 조절할 수 있음을 규명하고, 그 연구 결과를 국제학술지 ‘네이처 케미스트리(Nature Chemistry)’에 발표했다.

연구진은 스피커 위에 페트리 접시를 올려둔 뒤, 소리가 접시 안의 물에 어떤 영향을 주는지 관찰했다. 소리가 만들어낸 미세한 상하 진동으로 인해 접시 안에는 동심원 모양의 물결이 만들어졌다. 이후 지시약을 이용해 소리가 만들어낸 물결이 화학반응에도 영향을 미치는지 분석했다. 먼저, 파란색이지만 산소와 반응하면 무색으로 바뀌는 염료(바이올로젠 라디칼)를 접시에 담은 뒤, 스피커 위에 얹은 후 소리를 재생했다. 물결에서 움직이지 않는 마디 부분은 파란색을 유지하는 반면, 주기적인 상하운동을 하는 마루와 골(가장 높은 부분과 낮은 부분)은 산소와 반응하며 무색으로 바뀌었다. 공기와 접촉이 활발하여 산소가 더 많이 용해되기 때문이다.

김기문 전 IBS 단장은 “동화 <피리 부는 사나이>에서 소리를 이용해 쥐의 움직임을 통제했듯, 소리를 이용해 분자의 거동을 조절할 수 있다는 것”며 “화학반응과 유체역학을 접목해 발견한 새로운 현상”이라고 설명했다.