새로운 헬륨 화합물, 지구 핵의 비밀 밝혀

미국 물리학회의 Physical Review Letters에 철과 헬륨의 새로운 화합물에 대한 연구 결과가 게재되었습니다.

고온 고압에서 헬륨 원자(빨간색 원)는 전자 국소화 함수 맵에서 철 금속 조각의 철 원자(검은색 중심이 있는 빨간색 원) 사이 공간으로 이동합니다. (출처: 국립중앙대학교)

우주에서 가장 "저항성이 강한" 원소 중 하나로 알려진 헬륨은 주기율표에서 가장 반응성이 낮습니다. 다른 비활성 기체처럼 헬륨은 전자를 얻거나 잃기 쉽지 않기 때문에 일반적으로 화합물을 형성하지 않습니다. 그러나 매우 높은 압력에서 헬륨은 질소, 나트륨, 철을 포함한 여러 다른 원소와 상호 작용할 수 있습니다.

새로운 화합물을 만들기 위해 도쿄대학교 물리학자 히로세 케이와 동료들은 다이아몬드 앤빌 챔버(1,000도 이상의 온도에서 5만 기압 이상의 압력을 가하는 고압 장치)에서 철과 헬륨을 압축했습니다. 이 압축 과정을 통해 철과 헬륨을 모두 포함하는 결정이 생성되는데, 이는 같은 압력에서 순수한 철 결정보다 부피가 더 큽니다.

과학자들은 이러한 증가는 결정 내 철 원자 사이의 작은 틈새인 간극에 헬륨 이온이 축적되기 때문이라고 생각합니다.

헬륨 원자는 상대적으로 반응성이 낮아 극한 조건에서도 철과 직접적인 화학 결합을 형성할 수 없지만, 헬륨 원자를 결정질 철로 "묶는" 화합물은 지구 핵에서 헬륨이 관측된 이유를 설명하는 데 도움이 되는 "단서"를 제공합니다. 지구 헬륨 원자의 대부분은 중성자 두 개를 가지고 있으며 우라늄과 같은 원소의 방사성 붕괴로 형성됩니다. 그러나 일부 해양 화산 폭발은 중성자가 단 하나뿐인 헬륨 원자를 방출합니다.

이 원자들은 빅뱅 직후에 처음 생성되었습니다. 지구는 행성이 형성될 때 이 "원시" 헬륨을 흡수했습니다. 마그마에서 헬륨 원자가 방출된 것은 지구가 한때 원시 헬륨을 보유하고 있었음을 시사하며, 이 새로운 화합물은 철이 풍부한 지구 핵에 헬륨이 포함되어 있을 가능성을 시사합니다.

이러한 발견은 지구물리학적 중요성 외에도 비활성 기체 화학 분야에 더 폭넓게 적용될 수 있습니다. 미국 캘리포니아 대학교의 과학자 마오셩 먀오에 따르면, 헬륨과 다른 금속을 포함하는 화합물의 형성은 인간이 미처 생각하지 못했던 화학적 통찰력을 열어줄 수 있습니다.