최초로 금속구조 수소를 만든 실베라박사와 디아스박사(Metallic Hydrogen/R Dias & I Silvera)

     

두개의 다이아몬드 소재로 만든 모루(anvils)와 가스켓

그리고 초록 레이저 광선을 사용해서

분자 상태의 수소 기체를(왼쪽의 H２)를

아주 어마어마한 압력을 가해서 입자를 압축해서

원소 상태의 금속구조 수소(오른쪽 H)를 만든 사진

Credit: R Dias and IF Silvera 

미국의 두 과학자들이 수소 입자를 어마어마한 압력을 가해서 기체에서, 액체로,

그리고 완전히 새로운 금속구조의 수소를 만들었다고

지난 목요일 26일 저명한 과학논문 잡지인 'Science'에  발표되었다.

이 결과가 사실로 확정이 되면, 실온에서도 아주 효율이 높은 전도체로

사용이 가능하게 되면 아주 획기적인 신소재로 등장하게 되기에 큰 관심을 끌고 있다.

이런 신소재가 가능하다는 것은  80여년 전 1935년에

힐러드 벨 헌팅턴(Hillard Bell Huntington)과 유진 위그너(Eugene Wigner) 두 물리학자들이

실온에 기체인 수소를 아주 강력한 압력으로 압축하면,

금속구조로 변형시킬 수 있다고 이론을 이미 제기한 바 있다.

이 금속 수소가 실온에서도 전기를 아주 효율적으로

잘 전달하는 수퍼전도체(superconductor)로 사용할 수 있다는 큰 잇점이 있기에

그동안 세계적으로 다수의 연구팀이 이런 금속구조의 수소를 개발하려고 열띤 경쟁을 벌여 왔는데,

이번에 그런 대단한 소재를 처음으로 성공적으로 개발한 데에 큰 의미가 있다.

   

현재 MRI 촬영기기등 수퍼컨덕터의 사용도가 증가하는 추세인데,

문제는 수퍼컨덕터가 실온에서는 그 효능이 현저히 떨어져서

헬륨(Helium gas) 를 아주 저온에서 압축해서 만든 액체 헬륨으로

수퍼컨덕터를 아주 낮은 기온에 유지시키고 있는데,

그 비용이 아주 비싼 것이 큰 흠이다.

이번 논문발표의 저자의 한 사람인 하바드 대학교의 물리학자 아이색 실베라(Isaac Silvera)박사는

"기체를 금속구조로 변경하는 것은 고압력 물리학에서는 영원한 수수께기였는데,

80여년만에 지구상에서 최초로 금속구조 수소를 만들 수 있었다." 라고 밝혔다.

일리노이 대학교에 물리학 교수로 재직중인 데이빗 시플리 박사는

이번 연구에 관여하지는 않았지만, 이번 연구결과가 증명이 된다면

80여년간 많은 물리학자들이 오랜 기간동안 금속수소를 개발하는 연구의 종지부를 찍게 되며,

아울러 우주에서 제일 풍부하게 분포되어 있는 수소에 대해서도 잘 알 수 있는 좋은 계기라고 평했다.

 이 압축실험에서 초반엔 수소가 투명하고(왼쪽)

압력이 증가하면서 검게 변하고(가운데)

최강의 압력을 가해져서 반사체로 변한 수소(오른편)를 보고

금속 구조로 변경되다고 두 연구원들은 주장하고 있다.

 Credit Ranga Dias and Isaac F. Silvera        

  

 

금속 수소를 만들기 위해서 실베라 박사와

post-doctor fellow 인 랑가 디아스(Ranga Dias)박사는

작은 수소 기체 샘플 양쪽에 인공 다이먼드 모루(diamond anvil cell)를 사용해서

지구의 내부 한 가운데의 압력보다 더 높은 495,000,000,00 Pascal 압력을 가해서

입자들간의 공간을 축소해서 수소 분자를 원자로 변경하고,

더 나아가서 금속구조로 변경시켰다고 한다.

실험과정 중에 제일 어려웠던 점은 엄청난 압력으로 가하는 과정에서

다이어먼드가 금이 가거나아예 망가져서 원하는 압력을 가할 수 없어서

원하는 금속 수소를 만들지 못해서 시간이 많이 소요되었는데,

실베라 박사가 다이어먼드를 원하는 모양대로 만들어서

매끄럽게 광택을 내는 방법을 새로 개발해서

실험 중 망가지지 않게 되면서, 원하던 금속 수소를 개발할 수 있었다고 한다.

 

 왼쪽의 두개의 수소 원자로 만들어진 수소분자는

205 GPa(1x1,000,000,000) 압력이 가해진 상태로

분자들간의 공간이 많아서 현미경에서 발하는 LED 빛이

그 사이를 통과해서 투명하게 보인다.

가운데는 그보다 약 두배인 415 GPa의 압력이 가해져서

수소분자들의 거리가 아주 좁혀져서 반도체 구조로 변경되어서

LED 빛이 분자 사이를 뚫지 못해서 검게 보인다.

오른쪽은 어마어마하게 높은 495 GPa 의 압력이 가해져서

수소 원자들로 변한 입자들이 금속구조처럼 촘촘하고 정렬된 크리스탈 상태로

구조가 변해서 빛이 반사된 모습을 볼 수 있다.

참고로, 이 샘플의 지름은 약 8 마이크론이며

두께는 약 1.2 마이크론 크기이다.

 

        가해지는 압력에 반비례해서 기체에서 액체로,

그리고 고체로 변하는 실험결과를 보여주는 Phase 그래프

    

금속 수소를 개발하려는 많은 연구팀 중에

최초로 실베라 박사와 디아스 박사가 개발한 금속 수소의 모습
Credit: Harvard University

이번에 최강력 압력으로 개발한 금속 수소가 실온에서도

금속의 특성을 유지할 수 있는지가

제일 큰 관건으로 남아있는데, 만약에 그 특성이 유지할 수 있으면,

수퍼컨덕터로서의 기능을 제대로 발휘할 수 있기에

향후 연구결과에 많은 관심이 쏠리고 있다.