화학: Helium forms stable molecules at high pressure

헬륨이 고압의 환경에서 안정한 분자를 형성한다.

위의 문장을 읽고 엥? 이라는 생각이 들지 않는다면 아래의 글은 검은 것은 글이고 흰 것은 종이다 정도의 의미밖에 지니지 않을 것이다.

이해를 돕기 위해, 저 문장이 주는 놀라움을 다른 분야에서 찾아본다면…

동네 조기 축구팀이 레알 마드리드를 이겼다, 래더 F 공방유저가 이영호를 이겼다, 학부생이 네이처를 썼다 등 사실상 모두가 불가능하다고 받아들이는 문장이라면 뭐라도 가능하겠다.

아래의 글은 C&EN 원문기사를 번역하고, 중간중간 내 생각을 덧쓴 글이다.

 


화학 교과서 저자들이 어쩌면 책을 새로 써야할지도 모르겠다. 국제 협력연구팀이 고압의 조건하에서 helium-sodium compound를 만들어서 보고했기 때문이다.(Nat. Chem. 2017, DOI: 10.1038/nchem.2716)

헬륨은 꽉 찬 궤도의 안정성 덕분에 전자를 주려고 하지도 않고, (모든 원소들 중 가장 큰 이온화에너지를 가지고 있다.) 전자를 받으려 하지도 않는다. (전자친화도=0) 그 결과, 원자간에 전자를 주고 받음으로써 만들어지는 화학결합도 전혀 만들지 않는다. 이와 같은 무반응성 때문에 헬륨이 속한 18족을 inert gas고자라고 부른다. (표의 가장 오른쪽 코발트 블루 색깔에 속한 원소들)

.periodic20table

오랜시간 동안 과학자들은 실험적으로 혹은 이론적으로 헬륨을 포함한 “분자”를 만들기 위해 많이 노력했다. 그 노력에도 불구하고 HeH+, FHeO-와 같이 양전하를 띄는 경우에만 안정한 분자, 혹은 HHeF와 같은 metastable 분자(외부 환경의 영향을 받으면 금방 붕괴하는, 즉 오래 지속하지 못하는 분자)밖에는 만들지 못했다. 그러면 18족 원소 전부 다 저런 고자냐하면 그건 아니다. 제논이나 라돈같은 경우는 할로겐 원소들이랑 화합물을 만들기도 하고, 다른 원소들과 함께 태양전지에 많이 활용되는 pervoskite 고체 구조를 만들기도 한다. 수년간 나를 괴롭히는 이합체 (Xe2, Rn2)를 만들기도 한다.

학위 예비심사할 때 상대론 효과가 Xe2, Rn2, 그리고 그 밑에 있는 (E118)2의 결합에 어떤 영향을 미치는지 보겠다고 했다가 그런건 도대체 왜하냐고 호되게 까였었다. 그래서 도대체 누가 저런걸 하고있나 싶었는데…

Skolkovo Institute of Science & Technology의 Artem R. Oganov, 그리고 Nankai 대학의 Hui-Tian Wang, Xiang-Feng Zhou 연구팀이 그 연구를 계속 하고 있었다. Evolutionary structure prediction을 이용하여 고압하에서 헬륨과 나트륨의 상호작용을 연구했다. 결론은 115 GPa하에서 Na2He가 안정한 분자를 형성한다는 것. 115 GPa이 어느정도냐하면 대략 대기압의 백만배 정도다. 저런 고압 조건은 diamond anvil cell 안에서 만들 수 있다고 한다.

연구팀은 x-ray와 다른 방법을 이용하여 Na2He가 mineral fluorite와 비슷한 구조를 가진 절연체라는 것을 밝혀냈다. 무기화학에서 고체 결정구조 부분엔 큰 흥미가 없었던지라 이제는 mineral fluorite가 어떤건지도 떠오르지 않는다. 이 물질은 1000 GPa까지 안정된 구조로, 양이온을 core에 두고 전자가 음이온의 역할을 하는 electride의 한 종류라고 한다. 이 외에도 Na2HeO구조도 발견했는데 아직까지 준비하진 못했다고… 논문 쪼개기냐

University at Buffalo의 계산과학자 Eva Zurek은 “이번 연구 성과는 고압의 환경이 새로운 물질을 발견하는데 어떻게 쓰일수 있는지 보여준 연구”라고 했다. Na2He는 대기압 하에서는 매우 불안정하며, 이 물질을 합성하는데 쓰인 압력(115GPa을 말하는 듯하다)은 지구 중심에서의 압력의 40%에 달한다고 한다. 이 발견 목성이나 토성같은 엄청난 압력이 존재하는 행성에서의 화학반응을 이해하는데에도 도움을 줄 것으로 기대된다.

Lund University 무기화학자 Sven Lidin은 이번 연구가 천문학에서 가지는 의미는 아주 흥미로우며, 또한 교과서를 완전히 바꾸게 될것이라고 했다.

 

 

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