수소는 금속인가요? (초전도체)

수소는 지구상의 금속이 아니지만, 과학자들은 새로운 초전도체를 만들기 위해 고압에서 금속 수소를 생성하려고 계속 노력하고 있습니다. 빛나고 전기가 통하는 것은 무엇입니까? 대답은 대개 금속입니다. 다음으로 무색, 무취의 기체인 수소가 있습니다. 얼핏 보면 금속성을 암시하는 원소는 아닙니다. 그러나 1800년대 후반부터 물리학자들은 특정 조건에서 금속 수소가 생성될 수 있다는 이론을 세웠습니다.

 

이러한 이론은 부분적으로 금속 수소가 태양계 전체에서 발견되기 때문에 견인력을 얻었습니다. 예를 들어, 목성 의 내부는 금속성 수소로 추정됩니다. 거대 가스 내부의 강한 압력으로 인해 가스가 초전도 금속으로 압축되어 행성의 강력한 자기장이 생성됩니다. 그러나 지구상에서는 실험적 어려움으로 인해 거의 한 세기 동안 금속 수소를 찾기 어려워졌습니다.

 

1935년 고체물리학의 선두 주자인 물리학자 유진 위그너와 힐라드 벨 헌팅턴은 화학 물리학 저널에 수소가 고압 하에서 금속이 될 수 있다는 논문을 발표했습니다. 그들은 이것이 해수면 대기압의 250,000배인 25기가파스칼(GPa)에서 발생할 것이라고 가정했습니다. 극한 조건을 연구하는 에든버러 대학의 물리학 교수인 유진 그레고리안츠는 "실제로는 훨씬 더 높습니다"라고 말했습니다. 그는 "위그너와 헌팅턴의 예측은 금속 상태를 달성하는 데 필요한 높은 압력의 하한 역할을 한다"라고 말했습니다.

 

수년에 걸쳐 몇몇 연구 그룹은 금속 수소를 생성 했다고 주장했지만 그 결과는 잘못된 측정으로 인해 설명되었습니다. 과학 학술지에 게재된 2017년 하버드 대학교 연구에서는 495GPa에서 금속 수소를 만들었다고 주장했지만, 압력 측정을 교정하는 방법, 관찰을 비교한 모델, 재현성 부족에 대한 우려로 인해 회의론과 논쟁이 촉발 되었습니다. 그레고리안츠는 "제시된 유일한 측정값은 아이폰으로 만든 사진 4장뿐이었습니다"라고 말했습니다.

 

과학 학술지에 발표된 2019년 연구에서는 350GPa의 반금속 수소가 보고되었습니다. 연구 공동 저자이자 독일 막스 플랑크 화학 연구소의 고압 물리학, 화학 및 재료 과학 분야의 실험 과학자인 미하일 에레메츠는 "우리는 그것을 거의 20배에 달하는 엄청난 양으로 압축했습니다"라고 말했습니다. 이러한 고압 실험은 다이아몬드 앤빌 셀이 탄생하면서부터 가능해졌습니다.

 

이 기술을 사용하면 밀도가 높은 수소 가스 또는 액체 가스를 작은 용기에 넣고 알려진 가장 단단한 물질인 두 개의 다이아몬드 사이에 압착됩니다. 수소는 단 하나의 전자를 가지고 있지만, 두 개의 수소 원자가 두 개의 짝을 이루지 않은 전자에 의해 서로 결합되어 공유 결합을 형성할 때 자연적으로 H2를 형성합니다. 수소 분자가 압축됨에 따라 스프링처럼 두 원자 사이의 힘이 진동하기 시작합니다. 이러한 진동의 주파수가 높아지면 원자가 서로 가까워지고 있음을 의미합니다.

 

이 시점에서 원자 사이의 거리가 너무 작아서 분자가 고체 수소로 전환됩니다. 수소의 고체 상태는 1979년에 5.5GPa의 압력과 실온보다 약간 높은 조건에서 달성되었습니다. 그러나 과학자들이 압력을 높이면 압력이 33GPa 이상으로 올라가면 이상한 일이 발생합니다. 즉, 주파수가 감소하기 시작합니다. 이는 원자가 서로 멀어진다는 의미입니다.

 

과학 학술지에 발표된 1980년 연구에서는 이러한 효과를 관찰했습니다. 연구진은 압력이 계속 증가하면 결국 수소 원자 사이의 결합이 끊어져 단일 원자가, 즉 최외각 전자를 갖는 순수한 알칼리 금속이 생성될 것이라고 계산했습니다. 알칼리 금속은 고체로 결합되어 원자가 전자를 공유하여 전기를 전도합니다. 반면에 수소 원자는 자연적으로 화학에서 가장 강한 결합 중 하나를 갖는 H2 분자를 형성한다고 그레고리안츠는 말했습니다.

 

33GPa 이상의 높은 압력이나 낮은 온도만이 이 결합을 깨뜨려 알칼리 금속을 생성할 수 있습니다. 리튬이나 나트륨과 같은 알칼리 금속은 주기율표에서 수소 바로 아래에 있는 1족에 속합니다. 물과 반응하여 강염기 또는 알칼리를 형성합니다. 40년이 넘도록 작업은 느리게 진행되고 있습니다. 에레메츠는 "실험하기가 정말 어렵습니다"라고 말했습니다. 다이아몬드가 때때로 깨지거나, 가장 높은 압력에 도달할 수 없거나, 단지 몇 마이크로미터에 불과한 작은 샘플에서는 측정을 수행할 수 없기 때문입니다.

 

그럼에도 불구하고 그레고리안츠는 "고체 금속 수소는 아마도 멀지 않을 것"이라고 말했습니다. 그의 연구 그룹과 다른 연구진은 수소 샘플이 어두워지는 것을 관찰했는데, 이는 '밴드 갭'이 닫히고 있음을 의미합니다. 밴드 갭은 전도대와 가전자대 사이의 공간입니다. 캘거리 대학의 에너지 교육 백과사전에 따르면 전도대에서는 전자가 자유롭게 움직이며 전류를 생성합니다. 금속에서는 전도대와 가전자대 사이의 공간이 겹쳐서 전기 전도성을 생성합니다.

 

그레고리안츠는 "이 금속 상태의 특성은 금속 자체보다 훨씬 더 흥미롭다고 생각합니다"라고 말했습니다. 한 가지 아이디어는 수소가 금속 형태로 액체일 것이며 초전도체가 될 수 있다고 예측합니다. "현재 옵션은 취약하고 극도로 낮은 온도에서만 작동하기 때문에 새로운 초전도체가 중요하다"라고 덧붙였습니다. 초전도체는 컴퓨터 칩, MRI 기계 등 현대 기술에 필수적입니다.

 

그러나 그레고리안츠는 순수 금속 수소가 현재의 기술 능력을 넘어서기 때문에 수소 초전도체가 조만간 산업에 사용될 것이라고 생각하지 않습니다. 대신, 그레고리안츠를 포함한 많은 과학자들은 금속과 수소로 만들어진 수소화물에 대한 노력을 집중하고 있습니다. 이 샘플은 여전히 작지만 수소화물은 실제로 순수한 수소에 필요한 압력보다 훨씬 낮은 압력에서 작동하는 초전도체를 형성합니다.