추위에 팽창하는 신비한 물질
음의 열팽창은 새로운 내한 합금의 가능성을 열어준다.

특이한 효과 :
금속은 일반적으로 추위에 수축하지만 사마륨 결합물은 정확히 반대로 행동한다.
사마륨은 이런 특이한 동작을 가진 것으로 알려진 몇 안 되는 물질 중 하나다. 

이런 특성 뒤에는 양자 효과가 숨어있는데, 이를 통해 물질의 자유 전자가 사마륨의 원자 껍질을 채운다. 자유전자들은 차례로 원자를 밀어내고 그 결과로 물질은 팽창해 점점 더 차가워진다.
*사마륨(Samarium): 주기율표 란타넘족에 속하는 희토류원소의 하나로 광석에서 산출되며 황색을 띤 회색 금속이다. 천연으로 존재하는 동위원소이며 α붕괴를 하여 약한 방사능을 가진다. 1878년 스위스 화학자 마크 델라퐁텐(Marc Delafontaine)이 발견했다. 

▲ 희토류 금속 사마륨은 황화물로서 냉기에 비정상적인 반응을 보인다. © Tomihahndorf

대부분의 금속 및 고체는 추위에 움츠려 든다. 물질이 수축하는 것이다.
예를 들어, 순항 고도에서 극심한 추위에 노출되는 항공기의 경우에 이러한 변경 사항을 고려해야 한다.

브룩하벤 국립 연구소(Brookhaven National Laboratory)의 수석저자 다니엘 마쪼네(Daniel Mazzone)는 "이런 이유로 항공기 또는 전자 장치와 같은 실제 응용 분야에서 냉각시 서로 상반되는 재료로 만들어진 합금이 사용된다"라고 설명한다. 추위에 수축하는 금속과 신비스럽게 늘어나는 재료를 결합한다. 그러나 이 음의 열팽창은 소수의 재료에서만 알려져 있다.

최대 3% 체적 증가

마쪼네(Mazzone)와 동료들은 최근 희토류 금속 사마륨 화합물인 이국적인 물질 중 또 하나를 발견했다. 연구진은 실험에서 이트륨 원자로 도핑된 사마륨 황화물을 사용했다. 원자 격자의 어떤 지점에서, 사마륨 원자는 이트륨 원자로 대체되었다. 이 물질은 환경 조건에 따라 때로는 금색의 반짝이는 금속, 때로는 무딘 검은색 반도체를 형성하기 때문에 매우 특이하다.

그러나 황금 금속 형태의 황화 사마륨을 식히면 훨씬 더 이국적이다.
재료가 더 차가워질수록 크게 팽창한다. X-선 싱크로트론의 빔에서 "온도가 떨어지면 이 금속의 원자들이 떨어져서 움직인다"고 Mazzone는 설명했다. “이로 인해 전체 재료가 부피의 3%까지 확장된다.”

전자가 외부 껍질로 흘러 들어감

사마륨 원자들이 추위에 서로 멀어지는 원인은 무엇일까?
Mazzone과 그의 팀은 X-ray 흡수 분광법을 사용해 이를 발견했다.
동료 이그네이스 예리게(Ignace Jarrige)는 “이 실험들은 전자가 사마륨의 외부 껍질로 들어가거나 바깥으로 나가는 지 여부를 보여줄 수 있다. 사마륨에서 이러한 외부 전자 수준은 절반 이하다.”고 설명했다.

X선 분광법은 일반적으로 금속 상태에서 자유롭게 돌아다니는 사마륨설파이드 원자의 외부 전자가 차가울 때 사마륨 원자의 외부 껍질로 이동한다는 것을 보여 주었다.
물리학자들이 설명하듯 소위 *콘도(Kondo)효과에 이끌린다.
이것은 물질의 자기(magnetic) 불순물이 전자를 끌어당겨 스핀이 자기 영역과 균형을 이루는 방식으로 증착되도록 하기 때문이다.
*콘도효과 (Kondo 近藤效果) : 금속 내의 자기적 불순물로 인하여 낮은 온도에서 전기 비저항이 갑자기 증가하는 현상.  

▲ 모든 사마륨 원자에는 자기 모멘트 (파란색 화살표)가 있다. 물질이 냉각되면 자유 전자가 사마륨의 원자 껍질로 이동해 이러한 자기 모멘트를 보호한다. 물리학 자들은 이것을 콘도효과라고 부른다. © Brookhaven 국립 연구소

결과적으로, 사마륨 원자의 전자껍질이 채워져 부피도 증가한다.
이것은 차례로 원자를 밀어내 재료가 팽창하게 된다.

외부 원자로 제어 가능한 확장

Mazzone와 그의 팀은 다른 것을 발견했다. 추위에 사마륨 황화물이 확장되는 정도는 구체적으로 설정할 수 있다. 음의 열팽창은 결정 격자에 산재된 이트륨 원자의 농도에 의존하기 때문이다. Mazzone은 “이러한 조정 가능성으로 인해 이 재료는 새로운 균형 잡힌 합금개발에 매우 ​​유용하다.”고 말한다.

이런 결과들은 다른 유사한 화합물이 추위에 팽창 할 수 있을 것이다.
이것은 내한 재료 및 합금을 생산할 수 있는 새로운 가능성을 열어준다.
(Physical Review Letters, 2020; doi : 10.1103 / PhysRevLett.124.125701)
출처 : DOE / Brookhaven National Laboratory

[더사이언스플러스=문광주]

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