| 초고압에서의 수소-중수소 혼합물의 새로운 상변화 연구 성과 | ||
|
||
 중국과학원 허페이(合肥)물질과학연구원 고체물리연구소 극단환경양자물질센터 류샤오디(刘晓迪) 연구팀은 베이징고압과학센터 연구팀 및 영국 에든버러대학교 연구팀과 공동으로 다이아몬드 앤빌 셀 고압기술을 이용하여 고압에서의 수소-중수소 혼합물의 물성을 연구함으로써 수소-중수소 혼합물에서 동위원소 효과로 인한 수소-중수소 혼합물의 새로운 상변화 거동을 발견하였다. 해당 성과는 「Counterintuitive effects of isotopic doping on the phase diagram of H2–HD–D2 molecular alloy」라는 제목으로 "미국국가과학원원간(PNAS)"에 게재되었다. 수소의 동위원소 중수소(D)는 수소와의 질량비(2)가 주기율표의 다른 원소들보다 모두 크며 수소와 중수소의 영점 에너지 차이가 매우 크기 때문에 강한 동위원소 효과가 존재한다. 수소분자(H2)는 페르미온(fermion)으로 반대칭의 파동함수를 만족시켜야 하고, 중수소분자(D2)는 보존(boson)으로 대칭의 파동함수를 만족시켜야 한다. 그러나, 수소-중수소분자(HD)는 동등입자가 아니며 교환 대칭성의 제한을 받지 않기 때문에 핵스핀 방향은 에너지 레벨 배열에 영향을 미치지 않는다. 해당 특성은 수소, 중수소 및 수소-중수소의 상평형그림과 특성에 큰 영향을 미친다. 수소와 중수소는 간단해 보이지만 고압에서 극히 복잡한 상평형그림을 나타낸다. 기존에 수소의 상I에서 상V에 이르는 5개 고압 고체상이 발표되었다. 그 중, 수소와 중수소의 고압저온상-상II는 특수한 양자 효과와 동위원소 효과로 인해 다양한 상평형그림과 거동을 나타낸다. 소소-중수소 혼합물의 고압저온에서의 상평형그림 특히, 상II는 심층 탐구가 필요하다. 그림1. 수소-중수소 혼합물의 3가지 전형적인 비율(수소 대비 중수소의 비율은 각각 75 : 25 = 3 : 1, 50 : 50 = 1 : 1 및 40 : 60 = 2 : 3)의 고압저온 상평형그림 및 순수소 H2(회색 점선)과 순중수소 D2 (검은 점선)의 고압저온 상평형그림. 연구진은 고압에서 신속하게 수소-중수소 혼합물(H2+D2+HD)을 획득하고 자체 구축한 고압저온 원위치 물성 테스트 시스템을 이용하여 수소-중수소 혼합물의 압력이 200GPa에 달하고 온도가 10K에 달하는 초고압저온 라만 스펙트럼을 연구하였다. 연구 결과, 수소-중수소 혼합물 중의 수소, 중수소 및 수소-중수소는 분자 고용체와 유사한 거동을 나타냈으며 아울러, 상변화가 발생했다. 순수소가 상II에 진입하는 압력은 60GPa이고, 순중수소가 상II에 진입하는 압력은 20GPa이다. 수소-중수소 혼합물의 질량은 수소와 중수소 사이에 있기 때문에 통상적으로, 수소-중수소 혼합물의 상II에 진입하는 압력은 순수소와 순중수소 사이에 있다고 가정한다. 연구진은 수소-중수소 혼합물의 상II와 상III으로 진입하는 압력은 중수소보다 높을 뿐만 아니라 수소보다도 높음을 발견했다. 이는 교환 상호작용의 고에너지 상태 양자에 대한 포착에 의해 초래됨을 의미한다. HD분자는 교환 대칭성이 존재하지 않기 때문에 HD분자는 에너지가 안정적인 기저상태에 있다. 그러나, 순수소분자, 중수소분자는 모두 교환 대칭성의 제한을 받기 때문에 일부 분자는 높은 회전 에너지 상태에 갇히게 되며 이러한 높은 회전 에너지는 시스템을 불안정하게 한다. 따라서, 낮은 압력 조건에서 상변화가 발생하고 안정적인 상으로 이르게 한다. 연구진은 넓은 압력-온도 범위에서 비율이 서로 다른 수소-중수소 혼합물의 고압저온 상평형그림을 제작하였다. 그 결과, 혼합물의 상변화 압력은 수소 비율의 증가에 따라 증가했다. 해당 연구는 수소, 중수소, 수소-중수소 혼합물의 상평형그림, 수소와 중수소의 동위원소 효과와 양자 효과를 이해하는데 중요한 의미가 있다. 그림2. 수소-중수소 혼합물의 3가지 전형적인 비율(수소 대비 중수소의 비율은 각각 75 : 25 = 3 : 1, 50 : 50 = 1 : 1 및 40 : 60 = 2 : 3)의 고압저온 라만 스펙트럼, 온도는 10-20K, 압력은 0-200 GPa 사이. 정보출처 : https://mp.weixin.qq.com/s/Jk0ruCJQuALzikGKEbzJ8A?tdsourcetag=s_pctim_aiomsg |
SEARCH
- 정책동향
- 이슈리포트
- 통계DB
- 통계DB