새로운 헬륨 화합물, 지구 핵의 비밀 밝혀

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

우주에서 가장 "저항성"이 강한 원소 중 하나로 알려진 헬륨은 주기율표에서 가장 반응성이 낮은 원소이기도 합니다. 다른 비활성 기체와 마찬가지로 헬륨은 전자를 쉽게 얻거나 잃지 않으므로 일반적으로 화합물을 형성하지 않습니다. 그러나 극도로 높은 압력 하에서 헬륨은 질소, 나트륨, 철 등 여러 다른 원소와 상호 작용할 수 있습니다.

새로운 화합물을 만들기 위해 도쿄 대학의 물리학자 히로세 케이와 동료들은 다이아몬드 모루실에서 철과 헬륨을 압축했습니다. 다이아몬드 모루실은 1,000도 섭씨 이상의 온도에서 50,000기압 이상의 압력을 원소에 가하는 고압 장치입니다. 이 압축 과정을 통해 철과 헬륨을 모두 함유한 결정이 생성되는데, 이는 같은 압력에서 순수한 철 결정보다 부피가 더 큽니다.

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

헬륨 원자는 반응성이 낮아 극한 조건에서도 철과 직접적인 화학 결합을 형성하지 않지만, 헬륨 원자를 결정질 철로 "묶어 넣는" 화합물은 지구 핵에서 헬륨이 관찰되는 이유를 설명하는 데 도움이 되는 "단서"를 제공합니다. 따라서 지구의 헬륨 원자 대부분은 중성자를 두 개 가지고 있으며 우라늄과 같은 원소의 방사성 붕괴로 형성됩니다. 그러나 바다에서 일어나는 일부 화산 폭발에서는 중성자가 단 하나뿐인 헬륨 원자만 방출됩니다.

이러한 원자들은 빅뱅 직후에 처음 만들어졌습니다. 지구는 행성이 형성될 때 이 "원시" 헬륨을 흡수했습니다. 마그마에서 헬륨 원자가 방출되었다는 사실은 지구에 한때 원시 헬륨 저장소가 있었음을 시사하며, 새로운 화합물은 지구의 철이 풍부한 핵에 이 원소가 포함되어 있을 가능성이 매우 높다는 것을 시사합니다.

이러한 발견은 지구물리학적인 의미 외에도 비활성 기체 화학 분야에 더 광범위하게 적용될 수 있습니다. 캘리포니아 대학(미국)의 과학자 마오셩 먀오에 따르면, 헬륨과 다른 금속을 함유한 화합물의 형성은 인간이 전혀 생각하지 못했던 화학적 이해를 열어줄 수 있다고 합니다.