공기를 금속으로 바꾼다.

공기를 금속으로 바꾼 `금속 수소`...80년 만에 이론 입증

 

전자신문 2017.1.27

 

 

눈에 보이지 않는 공기를 눈에 보이고 만질 수 있는 금속으로 바꿀 수 있을까.

 

미국 하버드대 연구진은 공기를 전기가 통하는 금속으로 바꾸는게 가능하다는 것을 실험으로 입증했다고 외신들이 27일 보도했다. 연구 결과는 국제학술지 `사이언스`(Science)에 실렸다.

 

공기를 금속으로 바꾼 `금속 수소(metallic hydrogen)`는 1935년 물리학자 유진 위그너와 힐러드 헌팅턴이 연구했다. 당시 수소에 약 25만 기압을 가하면 금속으로 바뀔 수 있다는 이론을 제시했다.

 

금속 수소는 수소 원자(H)의 원자핵을 이루는 양성자가 격자로 배열된 결정 구조다. 전자는 격자 안에서 자유롭게 움직일 수 있다. 반면 수소는 원자 한 쌍이 서로 결합한 분자 상태이며 전자 이동이 자유롭지 않다.

 

연구진은 이론에서 제시한 방법대로 금속 수소를 만들기 위해 수소에 고압을 가했다. 영하 267℃의 극저온에서 465만∼495만 기압을 가하자 금속 수소가 나왔다. 그동안 목성이나 토성 내부에 고압으로 인한 금속성 수소가 존재할 것으로 알려졌는데 지구 상에서 이를 최초로 만든 것이다.

 

다만 실험에서 적용한 압력은 지구 중심에 가해지는 압력보다 세다. 이론에서 예측한 값보다 약 20배 높다.

 

이번 연구를 진행한 아이작 실버라 교수는 “이번 연구 결과는 `고압물리학의 성배`라 할 수 있다”고 평가했다.

 

 

 

금속수소가 기대를 모으는 이유

 

http://techholic.co.kr/archives/66018

 

하버드대학 연구팀이 수소에 높은 압력을 가해 지구상에서 처음으로 금속 형태 수소인 금속 수소(metallic hydrogen)를 생성하는 데 성공했다고 발표했다. 금속 수소가 실용화되면 상온 초전도를 실현하고 높은 에너지를 활용한 로켓 연료, 초고속 컴퓨터 개발 등 다방면에 응용될 것으로 기대된다.

 

수소는 양성자 1개와 전자 1개로 이뤄져 있는 가장 간단한 물질이다. 여기에 높은 압력을 가해 분자 구조를 변형, 금속 수소가 될 수 있다. 이런 금속 상태 수소는 전자에 구애받지 않고 초전도성을 갖게 될 수 있어 상온, 상압 하에서도 금속 수소가 있다면 초전도 실용화가 가능할 것으로 기대되어 온 것. 전 세계 연구팀이 금속 수소를 생산하려는 연구를 진행해온 이유도 여기에 있다.

 

이런 가운데 금속 수소를 연구하던 하버드대학 아이작 실버라(Isaac F. Silvera) 박사가 과학 저널인 사이언스에 세계에서 처음으로 금속 수소를 생성하는 데 성공했다는 내용을 담은 논문을 발표한 것이다.

 

이 연구는 495GPa, 그러니까 지구 중심보다 높은 압력을 가해 반사율 0.91인 금속 수소를 만들었다고 한다. 예상했던 원자 밀도 추정치와 일치하며 원자 모양으로 금속 성질도 확인했다고 한다.

 

 

금속 수소가 생성되더라도 큰 문제는 상온 상압 등에서 금속 수소가 존재할 수 있느냐는 것이다. 수소 분자가 높은 압력을 받아 분리, 금속 수소가 한 번 변화하면 압력이 내랴가도 금속 상태를 유지할 수 있지 않겠냐는 예상이 적지 않았다. 이런 이유로 상온 상압 환경에서도 초전도성을 가진 물질로 금속 수소에 큰 기대를 모은 것이다.

 

하버드대학 연구팀은 0도를 밑도는 저온에서 높은 압력을 유지하기 위해 금속 수소 소량을 유지하고 있는 상태다. 이 금속 수소 샘플은 앞으로 몇 주 안에 고압 상태에 노출되게 된다.

 

금속 수소 생성에는 막대한 에너지가 필요하다. 다시 수소 분자 상태로 변환하면 큰 에너지를 방출할 수 있기 때문에 지금까지 없던 강력한 로켓 추진제로 로켓 기술 혁명 가능성이 있을 것으로 기대되고 있다. 또 금속 수소를 전선에 응용하면 송전할 때 손실되는 에너지 15%를 없애는 것도 가능하며 초전도성을 상온 상압에서도 실현하면 리니어 기술과 컴퓨터 기술에 혁신을 주도할 가능성까지 있다.

 

연구팀이 생성한 게 진짜 금속 수소인지 탄자 원자에 압력을 가해 태어난 다이아몬드처럼 고압에 노출된 이후에도 금속 수소로 존재하게 될지 앞으로의 연구에 관심이 모아진다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.