지구 중심부 압력의 두 배 압력 달성 - 초고압 신기록 수립

 물질에 높은 압력을 가하면 매우 독특한 현상이 일어납니다. 예를 들어 이산화탄소에 70 기압 이상의 압력과 섭씨 30도 이상의 온도를 가하면 초임계 유체(super critical fluid)가 됩니다. 이산화탄소는 보통 기압에서는 고체(드라이아이스) 상태에서 액체 상태를 거치지 않고 바로 기체가 되지만 이렇게 압력을 가하면 기체와 액체의 성질을 가진 독특한 상태가 되는 것이죠. 초임계 유체 상태의 이산화탄소는 좋은 용매이기 때문에 카페인을 커피에서 제거하는 디카페인 공정을 비롯해 여러 분야에서 사용됩니다.

 그런데 물질을 엄청난 압력을 가하는 경우 더 독특한 현상도 관찰할 수 있습니다. 예를 들어 초전도성이 없던 평범한 물질이 갑자기 초전도성을 가지게 되는 경우 등이죠. (이전 포스트 참조: http://blog.naver.com/jjy0501/220455352665 ) 따라서 과학자들은 아주 높은 압력을 가하는 연구를 진행 중입니다.

 독일 바이로이트 대학(University of Bayreuth)의 과학자들은 이 분야에서 새로운 신기록을 수립했습니다. 이들은 오스뮴(Osmium)을 무려 최고 770 기가파스칼(Gigapascal, 참고로 1 기압이 101,325 Pa이므로 대략 760만 기압)의 압력으로 눌렀습니다. 

 오스뮴은 녹는점 2,700℃, 끓는 점 5,500℃이면서 밀도가 가장 높은 원소로 그 자체로도 독특하지만, 이번 연구를 통해서 더 놀라운 사실이 밝혀졌습니다. 지구 중심부 압력에 두배에 달하는 압력을 가했는데도 오스뮴 결정이 그대로 남아있었던 것입니다.

 그러나 동시에 오스뮴 원자 내부의 중심 전자들은 초고압 환경에서 서로 너무 가깝게 붙으면서 독특한 상호작용을 시작했습니다. 이 반응은 150GPa과 440GPa 압력에서 나타났습니다.

(초고압을 가하는 방법. 두 개의 작은 다이아몬드 사이에 미세한 오스뮴 조각을 넣고 압력을 가한다. A schematic of the pressure chamber of the double-stage diamond anvil cell: The osmium sample is just 3 microns small and sits between two semi-balls made of nanocristalline diamond of extraordinary strength. Credit: Elena Bykova/University of Bayreuth )

 이 연구에서 연구팀은 두 개의 작은 초고강도 나노 크리스탈 다이아몬드(nanocristalline diamond)를 이용 아주 작은 오스뮴에 압력을 가했습니다. 이와 같은 방법은 마치 송곳으로 좁은 면에 압력을 가해서 뚫는 것과 비슷합니다. 다른 점은 송곳 두 개로 중앙에 압력을 가한다는 것이죠. 이렇게 압력을 가한 조각은 바로 꺼내서 싱크로트론을 이용해 X선 조사해 내부 결정 구조를 조사합니다.

 이번 연구에서 달성한 압력은 이전 기록보다 130GPa이 더 높았다고 합니다. 앞으로 얼마나 엄청난 압력을 가해야 이 결정 구조가 깨질지는 알 수 없지만, 이런 압력에서도 결정을 유지하는 원소가 있다는 것 자체로 경이로운 일이라고 하겠습니다.

 이런 연구는 물질의 특수한 성질은 물론 높은 압력을 버티는 원소 및 결정 구조를 아는데 도움이 됩니다. 이는 지구 내부 핵의 구조를 연구하는 순수 과학 연구에서 여러 가지 응용 과학 분야에 도움이 될 것입니다. 이 연구는 네이처에 실렸습니다.

 참고

The most incompressible metal osmium at static pressures above 750 GPa;L. Dubrovinsky, N. Dubrovinskaia, E. Bykova, M. Bykov, V. Prakapenka, C. Prescher, K. Glazyrin, H.-P. Liermann, M. Hanfland, M. Ekholm, Q. Feng, L. V. Pourovskii, M. I. Katsnelson, J. M. Wills, and I. A. Abrikosov;Nature (2015); DOI: 10.1038/nature14681                                        

  http://phys.org/news/2015-08-high-pressure-secrets-osmium.html#jCp