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- 초중원소는 주기율표 족 중에서 반응성이 가장 적고 희소가스처럼 느리다.
- 원소 113~118번 원소 중 가장 무거운 원소를 조사하는 것은 핵물리학자에게 흥미진진
- 그중 5개는 상온의 금 표면에 정착. 그들은 휘발성 금속 수은과 유사한 방식으로 반응
- 나머지 세 개의 플레로븀 원자, 아무런 상호작용 없이 금 표면 전체를 통과했고
- 차갑고 얼음으로 덮인 부분에만 퇴적

원소 플레로븀(Flerovium)에는 두 개의 "얼굴"이 있다.
실험을 통해 초중량 원소 114의 상충되는 속성이 명확해졌다.

초중원소(원자 번호가 102번 이상인 원소들을 통틀어 이르는 말)의 미스터리:

플레로븀 원소는 모순된 행동으로 놀라움을 자아낸다. 일부 원자는 불활성 기체처럼 불활성으로 보이고, 다른 원자는 금속처럼 반응한다. 최근 새로운 실험으로 명확해졌다. 이에 따르면, 초중원소는 주기율표 족 중에서 반응성이 가장 적고 희소가스처럼 느리다. 그러나 "에너지 함정"에서는 여전히 유대를 형성할 수 있다. 그 뒤에 정확히 무엇이 있는지는 여전히 미스터리다. 

▲ 초중원소인 플레로비움은 때때로 불활성 가스처럼 반응하고 때로는 금속처럼 반응하기 때문에 미스터리다. © HT Ganzo / 게티 이미지

알려진 모든 원소를 양성자 수와 반응 거동에 따라 배열하면 원소 주기율표를 얻을 수 있다. 그룹 및 주기 중 하나에서 원소의 위치는 실제로 그 특성에 대한 결론을 허용한다. 그러나 가장 낮은 주기(행)의 초중량 요소로 인해 상황이 더 복잡해진다. 그것들을 사용하면 크고 무거운 원자핵 때문에 상대론적 효과가 발생한다. 전자는 원자핵 주위를 너무 빨리 경주해야 하므로 근본적으로 원소의 거동을 바꿀 수 있다.

플레로븀(Flerovium)의 신비한 대조

최근 몇 년 사이에 발견된 알려진 원소 113~118번 원소 중 가장 무거운 원소를 조사하는 것은 핵물리학자와 화학자에게 더욱 흥미진진하다. 원자. 지금까지 행동과 가능한 핵 구조에 대한 초기 정보는 114번 플레로븀에 대해서만 이용 가능하며, 이는 이 원소의 3개 또는 2개의 개별 원자에 대한 두 번의 실험에서 얻어졌다.

▲ TASCA에서의 실험 설정 및 288,289Fl 및 186Pb, 182-184Hg 및 219Rn의 증착 패턴: 검출 설정을 통해 휘발성 금속(Hg, 녹색 막대) 및 귀금속에서 비휘발성 금속(Pb, 파란색 막대)을 분리할 수 있었다. 가스(Rn, 흰색 막대). 3개의 TASCA 실행(Yakushev et al., 2014, 이 작업)에서 관찰된 Fl 붕괴의 위치는 빨간색 막대로 표시. 빨간색 숫자는 그림 2에 표시된 붕괴 사슬을 나타낸다. 설정은 첫 번째(Yakushev et al., 2014)와 마지막 Fl 실험에서 두 개의 Au 코팅된 COMPACT 어레이(노란색)로 구성되었다. 두 번째 실행에서는 SiO2(회색)로 코팅된 세 번째 COMPACT 검출기 어레이(검정색 점선으로 표시됨)가 두 개의 Au 코팅(노란색) 어레이 앞에 추가되었다. 5cm PTFE 튜브(내경 4mm)는 첫 번째 COMPACT 검출기를 RTC와 연결했습니다. 다음 COMPACT 검출기는 30cm 길이의 PTFE 모세관(내경 2mm)을 통해 연결됐다. 액체 질소 냉각에 의해 마지막 어레이를 따라 음의 온도 구배가 적용되었다. 나머지는 실온(21°C)에 보관했다. 미량의 물은 -80°C(하늘색) 미만의 온도에서 얇은 얼음층을 형성했다. 감지 설정에 따른 온도 프로파일은 파란색 점선으로 표시. 명확성을 위해 COMPACT 검출기 어레이당 16개의 검출기만 표시. (출처: 관련논문 On the adsorption and reactivity of element 114, flerovium / Frontiers)

이상한 점은 플레로븀 원자가 두 실험에서 완전히 다르게 행동했다는 것이다. 첫 번째 실험에서 초중량 원소는 불활성 기체처럼 느리게 반응해 결합 형성을 거부했다. 대조적으로, 두 번째 실험에서 테스트한 두 원자는 휘발성 금속 수은과 거의 비슷하게 행동했으며 원자 번호 112인 Transactinium Copernicium보다 반응성이 더 높은 것으로 분류되었다.

결합 테스트의 초중 원자

이 모순을 명확히 하기 위해 다름슈타트에 있는 헬름홀츠(Helmholtz) 중이온 연구 센터의 Alexander Yakushev가 이끄는 국제 연구팀은 6개의 추가 플레로븀 원자를 만들고 조사했다. 이를 위해 팀은 중성자가 풍부한 플루토늄 동위원소 244Pu로 구성된 표적에 9조 개의 고도로 가속된 칼슘 이온을 쏘았다. 이러한 충돌 중 6개는 수명이 짧은 플레로븀 원자의 형성을 초래했다. 이전에 생성된 두 개의 원자와 함께 팀은 이제 8개의 측정 원자를 갖게 되었다.

이들은 특수 가스 크로마토그래피에 공급됐으며, 먼저 이산화규소 위를 통과한 다음 약 10분의 1초 이내에 뒤쪽으로 갈수록 온도가 감소하면서 금 표면 위로 통과됐다. 통로가 끝날 때 금은 영하 160도였으며 얇은 얼음층으로 덮여있었다. 붕괴 사슬과 플레로븀 원자가 붕괴된 위치를 사용해 연구자들은 이제 그들이 표면과 연결을 형성했는지 위치를 결정할 수 있었다.

▲ TASCA 실험에 등록된 288,289Fl에서 유래한 붕괴 사슬. 사슬 1과 2는 (Yakushev et al., 2014)에서 보고되었고, 이 작업에서는 사슬 3에서 8이 관찰되었다. 별표로 표시된 사슬 3은 SiO2로 덮인 COMPACT 어레이로 실행하는 동안 관찰되었다. 노란색 사각형은 α 붕괴에 해당하고 녹색 사각형은 SF 붕괴에 해당. α 입자와 핵분열 파편의 측정된 에너지는 메가전자볼트(MeV)로 표시. 펄스 높이 결함에 대한 보정 없이 SF 에너지가 제공됐다. 검은색 삼각형은 빔 오프 기간 동안 등록된 감쇠를 나타낸다.

두 가지 다른 반응

놀라운 결과:
플레로븀 원자는 분명히 두 부분으로 된 반응을 보여주었다. 그중 5개는 상온의 금 표면에 정착했다. 그들은 휘발성 금속 수은과 유사한 방식으로 반응했다. Yakushev와 그의 동료들은 "이것은 이 Flerovium 표본이 금과 매우 강하게 상호작용했음을 시사한다"고 설명했다.

그러나 나머지 세 개의 플레로븀 원자는 아무런 상호작용 없이 금 표면 전체를 통과했고 시설의 차갑고 얼음으로 덮인 부분에만 퇴적되었다. 이 영역은 라돈과 같은 극도로 불활성인 불활성 기체에 대해서도 트랩을 형성한다. "이것은 플레로븀-금 시스템의 약한 상호작용만을 의미한다"고 연구원들은 말했다. 즉, 프레로븀(Flerovium)은 한편으로는 금속처럼 반응하지만 다른 한편으로는 결합하지 않는 비활성 기체처럼 반응한다.

원인을 찾다

하지만 왜?
가능한 설명은 플레로븀 원자 중 일부가 여전히 부유 상태에 있는 동안 결합됐다는 것이다.
예를 들어 실제로 극히 순수한 헬륨-아르곤 대기에서 산소나 수증기의 작은 잔해가 있다. 그러나 이것은 더 안정적이지만 분명히 유사하게 반응하는 수은과의 비교 테스트에서 이것이 관찰되지 않았기 때문이라고 과학자들은 설명한다.

따라서 팀은 두 번째 가능성을 의심했다. 금 표면의 작은 돌기로 인해 일부 플레로븀 원자가 실수로 더 쉽게 "붙잡을 수 있는" 함몰부에 놓이게 되었을 수 있다. 반면에 다른 원자들은 매끄럽고 균일한 영역에 부딪혀 날아갔다. 그리고 실제로 "검출기 표면을 분석한 결과 기상 증착된 금층의 형태학적으로 불균일한 구조가 드러났다"고 Yakushev와 그의 팀이 보고했다. "이것은 표면이 에너지적으로도 불균일하다는 것을 암시한다.“

▲ 물리적 흡착/전구체 상태(1)에서 더 강한 결합 부위(2)로의 이동(확산) 단계를 포함하는, 불균일한 표면에 대한 흡착 메커니즘을 단순화한 그림. (출처: 관련논문 Fig. 6 On the adsorption and reactivity of element 114, flerovium / Frontiers)

"에너제틱 트랩" 트랩 Flerovium

연구원들에 따르면, 이것은 플레로븀의 명백히 모순되는 행동을 설명할 수 있습니다. 금 부분에 이미 부착된 5개의 플레로븀 원자는 금 표면에서 "에너지 트랩"을 만났기 때문에 금속처럼 행동했다. 이러한 싱크에서 금 원자의 구성과 실온 에너지는 플레로븀이 화학적 결합에 대한 에너지 장벽을 극복하도록 한다. 나머지 3개의 원자는 이러한 "트랩"을 탈출해 크로마토그래프의 불활성 기체 영역에만 침착됐다.

이것이 플레로븀의 기본 특성에 대해 무엇을 의미할까?
"따라서 Flerovium은 휘발성 금속 수은보다 금에 대한 반응성이 낮다"고 과학자들은 설명했다. "반면에, 그것은 희소가스 라돈보다 금과 더 강한 결합을 형성할 수 있다." 다른 물질과의 반응이 어떻게 보이는지, 초중원소의 거동이 원자의 상대론적 효과와 어떻게 관련되어 있는지 이제 더 많은 실험으로 밝혀져야 한다.
(Frontiers in Chemistry, 2022; doi:10.3389/fchem.2022.976635)
출처: GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research GmbH

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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