우연한 실험실 발견으로 금의 비밀 화학이 밝혀지다

고온 고압 하에서 금 수소화물이 우연히 발견되면 금, 수소, 그리고 극한 환경의 화학 반응에 대한 우리의 이해가 바뀔 수 있습니다. 출처: SLAC 국립 가속기 연구소

우연히도 처음으로 미국 에너지부 산하 SLAC 국립 가속기 연구소의 과학자들이 이끄는 국제 연구팀은 금과 수소 원자로만 구성된 화합물인 고체 이진 금 수소화물을 형성했습니다.

연구진은 탄소와 수소로 구성된 화합물인 탄화수소가 극도로 높은 압력과 열에서 다이아몬드를 형성하는 데 걸리는 시간을 연구하고 있었습니다. 독일의 유럽 XFEL(X-선 자유 전자 레이저)에서 진행된 실험에서 연구팀은 X선을 흡수하고 흡수율이 낮은 탄화수소를 가열하기 위해 금박을 매립한 탄화수소 샘플에서 이러한 극한 조건이 미치는 영향을 연구했습니다. 놀랍게도, 그들은 다이아몬드의 형성뿐만 아니라 금 수소화물의 형성도 관찰했습니다.

"금은 일반적으로 화학적으로 매우 지루하고 반응성이 낮기 때문에 예상치 못한 결과였습니다. 그래서 이 실험에서 X선 흡수제로 사용하는 것입니다."라고 이번 연구를 이끈 SLAC의 연구원 멍고 프로스트는 말했습니다. "이번 결과는 온도와 압력의 효과가 기존 화학 반응과 충돌하는 극한 조건에서 많은 새로운 화학 반응이 발견될 가능성이 있음을 시사하며, 이러한 특이한 화합물을 생성할 수 있습니다."

Angewandte Chemie International Edition 에 게재된 연구 결과는 특정 행성이나 수소 융합 별 내부와 같은 극한 환경에서 화학 법칙이 어떻게 바뀌는지 보여줍니다.

고밀도 수소 연구

연구진은 실험에서 먼저 다이아몬드 앤빌 셀을 사용하여 탄화수소 샘플을 지구 맨틀 내부 압력보다 높은 압력으로 압축했습니다. 그런 다음 유럽 XFEL에서 얻은 X선 펄스를 샘플에 반복적으로 조사하여 화씨 3,500도(섭씨 1,300도) 이상으로 가열했습니다. 연구팀은 X선이 샘플에서 어떻게 산란되는지 기록하고 분석하여 샘플 내부의 구조적 변형을 밝혀낼 수 있었습니다.

예상대로 기록된 산란 패턴은 탄소 원자가 다이아몬드 구조를 형성했음을 보여주었습니다. 그러나 연구팀은 수소 원자가 금박과 반응하여 금 수소화물을 형성하면서 발생하는 예상치 못한 신호도 발견했습니다.

연구에서 만들어진 극한의 조건 하에서 연구진은 수소가 고밀도의 "초이온" 상태에 있음을 발견했는데, 이때 수소 원자는 금의 단단한 원자 격자를 자유롭게 흘러 금 수소화물의 전도도를 높였습니다.

주기율표에서 가장 가벼운 원소인 수소는 X선을 약하게 산란시키기 때문에 X선으로 연구하기 어렵습니다. 그러나 여기서 초이온 수소는 훨씬 무거운 금 원자와 상호작용했고, 연구팀은 금 격자가 X선을 산란하는 방식에 수소가 미치는 영향을 관찰할 수 있었습니다. 뭉고는 "금 격자를 수소의 작용을 보여주는 증거로 활용할 수 있습니다."라고 말했습니다.

금 수소화물은 실험적으로 직접 접근하기 어려운 다른 상황에도 적용될 수 있는 조건에서 고밀도 수소 원자를 연구할 수 있는 방법을 제공합니다. 예를 들어, 고밀도 수소는 특정 행성의 내부를 구성하기 때문에 실험실에서 이를 연구하면 이러한 외계 행성에 대해 더 많은 것을 알 수 있습니다. 또한 태양과 같은 별 내부의 핵융합 과정에 대한 새로운 통찰력을 제공하고 지구에서 핵융합 에너지를 활용하는 기술 개발에도 도움이 될 수 있습니다.

새로운 화학을 탐구하다

이 연구는 고농도 수소 연구의 길을 열 뿐만 아니라, 새로운 화학을 탐구할 수 있는 길을 제시합니다. 일반적으로 반응성이 낮은 금속으로 여겨지는 금이 초고압과 초고온에서 안정적인 수소화물을 형성하는 것으로 밝혀졌습니다. 실제로 금은 극한 조건에서만 안정적인 것으로 보이는데, 냉각되면 금과 수소가 분리되기 때문입니다. 시뮬레이션 결과, 더 높은 압력에서 금 격자에 더 많은 수소가 들어갈 수 있음도 밝혀졌습니다.

"이러한 결과는 온도와 압력의 효과가 기존 화학 반응과 경쟁하기 시작하는 극한 조건에서 새로운 화학 반응이 많이 발견될 가능성이 있음을 시사하며, 이러한 이국적인 화합물을 형성할 수 있습니다." Mungo Frost SLAC 직원 과학자

시뮬레이션 프레임워크는 금 수소화물 이외의 다른 분야로도 확장될 수 있습니다. SLAC 고에너지 밀도부 책임자이자 광자 과학 교수이자 본 연구의 책임 연구원인 지크프리트 글렌저는 "이러한 극한 조건에서 이러한 상태를 실험적으로 생성하고 모델링할 수 있다는 것이 중요합니다."라고 말했습니다. "이러한 시뮬레이션 도구는 극한 조건에서 다른 특이한 재료의 특성을 모델링하는 데에도 적용될 수 있습니다."

이 팀에는 독일 로스토크 대학교, DESY, 유럽 XFEL, 헬름홀츠-센터 드레스덴-로센도르프, 프랑크푸르트 대학교, 바이로이트 대학교의 연구진과 영국 에든버러 대학교, 카네기 과학연구소, 스탠퍼드 대학교, 스탠퍼드 재료에너지과학연구소(SIMES)의 연구진도 참여했습니다. 이 연구의 일부는 미국 에너지부 과학국(DOE Office of Science)의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/08/250810094401.htm