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* 1945년 7월 16일, 세계 최초의 원자 폭탄 실험 일명 '트리니티 테스트'
* 뉴멕시코 사막, 플루토늄 기반 핵무기의 폭발로 인해 21킬로톤의 TNT, 녹은 모래 및 구리 케이블의 에너지가 시험장에서 최대 300미터까지 방출돼
* 실리콘, 구리, 칼슘 및 철의 원자는 교대로 5배, 3배 및 2배 대칭을 형성, 20면체 암석유리
* 구조식은 Si61Cu30Ca7Fe2

원자 폭탄 테스트로 독특한 준결정 생성
1945년 7월 트리니티(Trinity) 폭발로 가장 오래된 인공 준결정(Trinitite, 트리니타이트)이 형성됐다.

폭발이 원인 :
1945년 7월 최초의 원자 폭탄 폭발로 인해 작은 준결정이라는 독특한 물질을 만들어졌다.
그 결정 구조는 지구상에서 독특하며 5배, 3배, 2배 대칭이다. 준결정은 실험 현장에서 열과 압력이 모래와 구리 케이블을 녹일 때 생성됐다. 가장 오래된 인공 유리 결정체(Trinitite)이며 지금까지 주로 실리콘으로 구성된 유일한 준결정이다. 

▲ 이 트리니티 조각은 1945년 7월 16일 미국 최초의 원자 폭탄 테스트 중에 만들어졌다. 연구원들은 최근 그 안에서 준결정을 발견했다. © Luca Bindi와 Paul J. Steinhardt

준결정 트리니타이트는 매력적인 물질이다. 

오랫동안 "불가능"하고 존재하지 않는 것으로 여겼다.
일반 결정과 달리 원자 격자는 항상 동일하고 주기적으로 반복되는 대칭 기본 단위로 구성되지 않는다. 대신 몇 가지 기본 기하학적 모양이 번갈아 가며 나타난다. 

이러한 준결정 중 소수는 자연에서 알려져 있으며 모두 운석에서 볼 수 있다. 이 이국적인 광물의 몇 가지 변종만이 실험실에서 생산됐다.

트리니티 실험(Trinity-Test) 유물에서 발견

최근 피렌체 대학의 루카 빈디(Luca Bindy)와 연구자들은 기원과 구조 면에서 독특한 준결정을 발견했다. 1945년 7월 16일, 세계 최초의 원자 폭탄 실험인 트리니티 테스트에서 만들어졌기 때문이다. 뉴멕시코 사막에서 플루토늄 기반 핵무기의 폭발로 인해 21킬로톤의 TNT, 녹은 모래 및 구리 케이블의 에너지가 시험장에서 최대 300미터까지 방출됐고 트리니티(Trinitite)라는 새로운 유형의 암석 유리가 생성됐다.

Bindy와 그의 팀은 이 Trinitite의 샘플을 조사했다.
이것은 크기가 약 1cm인 작은 바위 유리 조각으로 구리 침전물에 의해 적갈색으로 착색됐다. 연구진은 "이 적색 트리니티는 타워 꼭대기에서 나오는 동축 케이블이 뭍혀 끝나는 영역 그라운드 제로로 부터 약 55~60미터 떨어진 곳에서 형성됐을 것"이라고 보고했다. 

▲ 트리니티 테스트 동안 이 30m 높이의 타워 구조물 꼭대기에서 원자 폭탄이 폭발했다. © National Nuclear Security Administration

세 가지 다른 대칭을 가진 준결정

과학자들이 전자 현미경과 X선 결정학의 도움으로 이 트리니티 암석을 더 면밀히 분석했을 때 놀라운 것을 발견했다. 유리 구조에서 특이한 격자 구조를 가진 작은 물방울을 확인했다. 실리콘, 구리, 칼슘 및 철의 원자는 교대로 5배, 3배 및 2배 대칭을 형성했다.

Bindy와 그의 팀은 "이 패턴의 조합은 이 새로운 단계가 20면체 준결정이라는 것을 명백히 보여준다"고 말했다. 그들의 분석과 Trinity 테스트에 대한 과거 데이터를 바탕으로 준결정이 약 1,500도의 온도와 5-8기가파스칼의 압력에서 형성됐다고 추정한다. 

▲ 트리니타이트(Trinitite), 약 6mm, Author: H. Hiller

가장 오래된 인공 준결정

새로운 준결정을 발견물은 여러 면에서 독특하다.
이것은 원자 폭탄 폭발로 만들어진 고체의 유일한 표본이다. 

Bindy와 그의 팀은 “그러므로 합성 시점을 가장 가까운 초 단위로 정확하게 결정할 수 있다"고 말했다. 이 준결정이 실험실에서도 생산될 수 있는지 여부와 이를 위해 정확히 어떤 조건이 존재해야 하는지는 아직 명확하지 않다.

동시에, 구조는 알려진 가장 오래된 인위적 준결정이다. 

실험실에서 첫 번째 준결정의 생산은 1984년에야 가능했고, 반면에 트리니티 준결정은 이미 76년이 되었다.
"유일하게 오래된 준결정 표본은 카티르카 운석에서 자연적으로 형성된 표본으로, 적어도 수억 년이 지났으며 아마도 태양계의 초기부터 만들어졌다"고 Bindy와 그의 동료들은 설명한다. 

▲ 빨간색 원으로 표시된 점은 준결정이다. © Luca Bindi와 Paul J. Steinhardt

독특한 성분

새로 발견된 준결정의 성분도 독특하다.
Si61Cu30Ca7Fe2의 구조식은 주로 실리콘으로 구성된 첫 번째 공식이기 때문이다.
"현재 준결정은 실리콘, 구리 및 칼슘외의 다른 혼합물은 없으며 주로 실리콘으로 구성된 또 다른 준결정도 존재하지 않는다"고 연구원들은 말한다.

더 많은 연구는 다른 원자 폭탄 시험장에서 이전에 발견되지 않은 다른 준결정이 있을 수 있는지 보여 주어야 한다. 연구원들은 이러한 폭발의 극한 조건을 고려해 이것이 완전히 가능하다고 생각한다. 이전에 알려진 자연 준결정은 모두 매우 높은 온도와 짧고 강한 압력파와 관련된 사건에서 발생했기 때문이다.
(Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021; doi: 10.1073/pnas.2101350118)

출처: Proceedings of the National Academy of Sciences

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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