Scientists debunk a popular explanation for a flashy party trick.
A bright plasma flares as a microwave heats two beads, replicating the effect of microwaving a grape. Credit: Hamza K. Khattak
The physics of light scattering off spheres helps explain why a grape heated in a microwave oven can generate a brilliant, highly charged gas.
In dozens of YouTube videos of microwaved grapes, a plasma — a glowing gas of charged particles — flares from the skin ‘bridge’ that holds together the two halves of a severed grape. According to many online explanations, the grape halves act as an antenna tuned to the energetic microwaves. Because the moist skin is highly conductive, a current flows through this antenna and along the surface of the bridge.
Aaron Slepkov at Trent University in Peterborough, Canada, and his colleagues found that this explanation is incorrect. Using thermal imaging and computer simulations, they showed that the grape halves form a cavity that absorbs and focuses the microwave radiation into a hotspot where the halves touch each other. This radiation ionizes potassium and sodium atoms in the grape skin.
The team microwaved twin beads — which were composed of nearly pure water, with no skin — that were in contact with each other. The resulting hotspot at the beads’ point of contact was capable of generating plasma.
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자연이 만든 플라스마 발생장치 ‘포도알’
포도 한 알을 반으로 자른다. 아, 그런데 완전히 두 동강 내면 안 된다. 천천히 반으로 자르다가 마지막 부분은 아주 살짝 붙어 있게 해야 한다. 그러면 포도 두 알이 붙어 있는 모양이 된다. 이제 이 포도알을 전자레인지에 넣는다. 그리고 동작 버튼 누르기. 1초, 2초, 3초…. 전자레인지 안에서 갑자기 섬광처럼 붉은 빛이 번쩍인다. 헉, 저건 뭐지?
포도는 전자레인지에 넣으면 안 되는 음식이다. 차갑게 먹는 포도를 굳이 전자레인지에 데우다니. 하지만 호기심 많은 사람들은 포도를 전자레인지에 넣었고 결국 사단이 났다. 포도알 주변이 붉게 달아오르면서 불꽃처럼 퍼지는 플라스마가 나타났다.
유튜브에 ‘포도 전자레인지(grape microwave)’를 검색하면 플라스마 발생 동영상이 7만 개 이상 뜬다. 그런데 왜 전자레인지에 포도를 넣고 돌리면 플라스마가 만들어지는 걸까.
최근 아론 슬렙코브 캐나다 트렌트대 물리천문학부 교수와 파블로 비아누치 콘코디아대 물리학부 교수가 이끄는 연구팀이 국제학술지 ‘미국국립과학원회보(PNAS)’ 2월 19일자에 그 이유를 자세히 밝혔다. doi:10.1073/pnas.1818350116
그간 일부 연구자가 플라스마 발생 원리를 설명한 적이 있었지만 다양한 실험을 거쳐 플라스마 생성 조건과 그 과정을 상세하게 밝힌 연구는 이번이 처음이다.
수분 70%와 포도의 곡면이 만든 마술
플라스마는 이온화된 기체를 말한다. 고체와 액체, 기체 등 세 가지 물질의 기본 상태와 구분해 제4의 물질상태로 불린다. 태양의 대기로 불리는 코로나가 대표적인 플라스마다.
플라스마는 기체에 고온, 고압을 가하는 과정에서 원자와 분자 사이에 격렬한 충돌이 발생하면서 만들어진다. 원자가 전자와 이온으로 분리되면서 이들이 외부로 퍼질 때 일반 기체와 만나 우리 눈에는 불꽃과 같이 빛이 퍼지는 현상으로 보인다.
포도알을 전자레인지에 넣고 돌릴 때 플라스마가 생성되는 이유는 포도알의 곡면과 포도알의 적절한 수분 함량이 플라스마 생성에 적합한 환경을 만들어 줬기 때문이다.
포도알의 70%는 물로 이뤄져 있다. 연구팀에 따르면, 포도알에 함유된 물과 표면에 있는 칼륨, 나트륨 등의 분자는 전자레인지에서 나오는 파장 약 12cm인 마이크로파를 흡수해 이온화되기 쉽다. 특히 포도알의 곡면 때문에 마이크로파가 빠져나가지 못하고 포도알 안에서 공명 현상을 일으켜 에너지를 증폭시켰다.
연구팀은 증폭된 에너지로 인해 물 분자 등이 쉽게 이온화되고 이들이 사방으로 퍼지는 과정에서 전자레인지 내부의 기체와 만나 부딪히면서 플라스마가 생성된다고 분석했다. 그리고 이를 마이크로파 대역에서 나타나는 ‘형태 의존 공명(MDR·morphology-dependent resonance)’ 현상이라고 불렀다.
포도알만 플라스마를 만들 수 있는 건 아니다. 연구팀은 메추리알과 수분을 함유한 겔 타입의 구형 물질로도 전자레인지에서 플라스마를 만드는 데 성공했다.
메추리알의 경우에는 삶지 않았거나 속을 제거하고 껍질만 남긴 뒤 내부를 물로 채우면 플라스마가 나타났다. 논문의 제1 저자인 함자 카하텍 트렌트대 연구원은 “포도알 정도 되는 크기와 모양, 수분을 함유한 물질이라면 어떤 것이든 전자레인지를 이용해 플라스마를 만들 수 있다”고 말했다.
포도알 플라스마가 자칫 화재로 번질 위험은 없을까. 카하텍 연구원은 이를 확인하기 위해 실험하다가 전자레인지 12대를 망가뜨렸다. 카하텍 연구원은 “포도알만 넣고 전자레인지를 돌리면, 플라스마 에너지가 사방으로 분산돼 전자레인지가 망가질 수 있다”고 말했다. 그는 수차례 시행착오 끝에 플라스마가 포도알 인근에서 집중적으로 발생하도록 포도알을 안경에 사용하는 굴절 유리 위에 올려놓는 편이 좋다는 사실을 알아냈다.
전자와 이온 분리돼 플라스마 발생
국내에서도 포도알로 플라스마를 생성하는 실험이 진행된 적이 있다. 2015년 이 실험을 진행한 송미영 국가핵융합연구소 플라스마기술연구부장은 “안경에 사용하는 유리는 고온에 견딜 수 있고, 굴절률에 따라 플라스마를 일정 간격으로 생성시키기에 용이하다”고 설명했다.
송 부장은 또 “비커 등으로 포도알을 덮은 상태에서 전자레인지를 돌리면 플라스마가 사방으로 분산되는 현상을 막아 수 초 안에 플라스마가 기둥 형태로 발생하는 현상을 관찰할 수 있다”고 덧붙였다.
포도알 전자레인지 실험으로 화재가 발생할 가능성은 크지 않다. 화재를 발생시킬 만큼 강한 플라스마를 만들기 위해서는 그에 상응하는 에너지 공급원이 유지돼야 한다. 포도알 하나가 지속적으로 강한 플라스마를 생성할 만큼 큰 에너지를 공급하기에는 역부족이다.
송 부장은 “기체가 이온화되면 전자와 이온으로 분리되고 두 가지 모두 플라스마를 생성한다”면서도 “이온이 전자보다 1800배 가량 질량이 큰 데, 전자레인지를 30초 정도 돌려 발생하는 마이크로파는 이 이온을 충분히 들뜨게 만들어 강력한 플라스마를 생성시키기에 역부족”이라고 설명했다.
그렇다면 전자레인지에서 저온 플라스마가 생성될 가능성은 없을까. 저온 플라스마로도 전자레인지의 특정 부위가 손상되고 이로 인해 더 큰 사고로 이어질 가능성은 있다. 송 부장은 “혹시 집에서 직접 실험을 하는 경우에도 실험을 여러 차례 반복하거나 30초 이상 오랜 시간 전자레인지를 돌리는 건 위험하다”고 강조했다.
공명 이용해 나노 광원 개발에 활용
캐나다 연구팀이 포도알을 이용해 플라스마 생성 원리를 연구한 이유는 순전히 호기심에서였다. 하지만 연구팀은 호기심에서 출발한 연구로 밝혀낸 플라스마 발생 원리를 나노 광학에 적용할 수 있다고 말했다.
전극 주변의 유전체는 포도알처럼 플라스마를 가둘 수 있다. 연구팀은 광자가 가진 에너지로 특정 유전체 내부에서 공명이 일어날 수 있도록 만들면 플라스마가 생성되고, 이를 제어하면 지름이 수nm(나노미터·1nm는 10억분의 1m)인 나노 광원 소스로 사용할 수 있을 것으로 예상했다. 이 광원을 이용해 모든 방향에서 수신할 수 있는 무선 안테나와 초고해상도 나노 이미징 기술을 개발하는 데 접목할 수 있다는 것이다.
송 부장은 “플라스마가 지속적으로 형성될 수 있도록 유전물질의 양과 형태를 유지시키는 것이 관건”이라며 “이를 효율적으로 만드는 방식이 연구돼야 가능할 것”이라고 말했다.
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