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2017 겨울호 / 지식 더하기 Ⅰ / 금속 수소

2018-01-17 18

지식 더하기 Ⅰ / 금속 수소

과학에 관심이 있는 학생뿐만 아니라 대한민국에서 교육을 받는 대부분의 학생들이라면 ‘수소’라고 하는 원소에 대해 들어봤을 것입니다. 원자번호 1번으로 지구상에 있는 가장 가벼운 원소로 알려진 수소는 일반적으로 무색·무취·무미의 기체 상태로 우리 주위에 존재하고 있습니다. 그러나 최근 주노라고 하는 목성 탐사선이 4년 11개월의 여행 끝에 목성에 도착하는 것에 성공했고 그곳에서 지금까지 본 적 없는 새로운 형태의 수소, 금속 수소를 발견하게 됩니다. 도대체 금속 수소란 무엇이고 과학적으로 어떤 의미를 가질까요?

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사진 출처 http://m.blog.daum.net/nh_kim12/17201081

금속 수소는 1935년 미국의 이론물리학자 유진 위그너와 할러드 헌링턴에 의해 이론상으로 처음 등장했습니다. 그들은 녹는점 이하의 온도에서 수소에 약 25만 기압의 높은 압력을 가하면 금속 상태가 된다고 주장했습니다.

많은 사람들이 25만 기압뿐만 아니라 300만 기압 정도의 고압을 가하는 실험을 진행했지만 수소는 금속이 되는 것이 아니라 그래핀처럼 얇은 판의 구조로 변해버렸습니다. 그러던 중 미국 하버드 대학의 연구진이 -267℃의 극저온에서 약 495만 기압의 초고압을 가한 결과 수소 기체의 금속화에 최초로 성공했습니다.

또한 이렇게 제조된 금속 수소로부터 흥미로운 특징을 몇 가지 발견했습니다. 수소 기체의 경우 전자들이 자유롭게 움직이지 못하지만 금속 수소는 원자핵을 구성하는 양성자들이 격자모양으로 늘어선 곳을 전자가 자유롭게 움직이는 구조를 가지게 됩니다. 이로 인해 금속 수소는 금속의 성질을 띠게 되는데, 수소와 헬륨으로 구성된 가스형 행성인 목성이 자기장을 가지는 것도 금속 수소로 인한 것으로 추정되고 있습니다. 또 금속 수소는 전기 저항이 0인 초전도체이기 때문에 자기부상열차와 같은 초전도체 응용기술의 성능을 월등히 발전시킬 수도 있다고 합니다.

다만 금속 수소를 더 깊이 연구하기 위해서는 금속 수소를 제조하기 위해 조성했던 극저온 고기압 환경이 아닌 상온 저기압에서 금속 수소를 유지시킬 수 있는 방법을 찾아야한다고 합니다. 예단하긴 힘들지만 연구원들은 금속 수소가 환경이 달라져도 금속성을 유지할 만큼 준안정화될 것이라고 추정하고 있습니다.

또 주노와 같은 탐사선을 목성으로 보내는 것 역시 금속 수소에 대한 연구를 가속화하기 위해서입니다. 금속 수소는 아직도 베일에 싸여있는 부분이 많지만 미래학자 제러미 리프킨이 남긴 ‘수소는 인류의 미래를 보장하는 약속어음’이라는 말처럼 많은 과학자들이 이 약속어음을 받기 위해 계속해서 금속 수소의 연구를 계속하고 있습니다.

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글_정세엽 생명과학과 16학번(알리미 22기)