Exotic centrosymmetric phase of acentric urea under high pressure
이 연구는 실험적 분광법, 회절 및 이론적 결정 구조 예측의 결합을 통해 확인된 바와 같이, 비중심 대칭 우레아가 10 GPa 이상에서 제2고조파 발생의 소실과 5.2에서 10.0 GPa 사이의 양자 무질서 중간 상태(Phase X)를 특징으로 하는 이색적인 중심 대칭 상(V')으로 압력 유도 전이를 겪는다는 것을 밝혀냈다.
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물질은 결코 정적인 상태로 머무는 경우가 드뭅다. 가장 익숙한 고체조차도 충분한 힘으로 압착되면 내부 구조를 재배열할 수 있다. 고압 물리학이라 불리는 이 연구 분야는 물질이 행성의 깊은 내부와 같은 강력한 압축력을 받을 때 어떻게 변형되는지를 탐구한다. 이 연구의 핵심에는 분자들을 결합하여 결정을 유지하는 약하지만 필수적인 연결 고리인 수소 결합의 거동이 자리 잡고 있다. 일반적인 조건에서 이러한 결합은 특정한 질서 정연한 패턴을 형성한다. 그러나 압력이 극도로 높아지면 이러한 패턴이 깨지거나, 이동하거나, 심지어 대칭화되어 완전히 새로운 상태의 물질로 이어질 수 있다. 이러한 물질 중 하나인 요소(urea)는 비료에서부터 화장품에 이르기까지 모든 곳에서 발견되는 단순한 유기 화합물이다. 선반 위에 놓인 모습은 평범해 보일지 모르지만, 과학자들은 요소를 압착하면 심해의 얼음에서 관찰되는 것과 유사한 이색적인 거동이 나타날 수 있다고 오랫동안 믿어 왔다. 심해의 얼음에서는 수소 원자가 결합의 정확한 중심부로 이동하여 완벽하게 대칭적인 구조를 만들 수 있기 때문이다. 이러한 전이를 이해하는 것은 압력 하에서 물질이 어떻게 행동하는지를 지배하는 근본적인 규칙을 파악하는 데 도움을 주며, 화학 결합의 본질과 신소재의 가능성에 대한 단서를 제공한다.
최근 한 연구팀은 요소가 압축될 때 어떻게 행동하는지에 대한 오랜 미스터리를 해결하고자 했다. 수년 동안 상충하는 보고들이 요소가 고압에서 특정 대칭 결정 구조로 변한다고 주장해 왔으나, 수소 원자를 직접 관찰하기 어렵다는 점 때문에 그 증거는 불분명했다. 이 불확실성을 해소하기 위해 연구팀은 여러 강력한 기술을 결합했다. 그들은 다이아몬드 앤빌 셀(diamond anvil cell)이라고 알려진 장치를 사용하여 두 개의 다이아몬드 팁 사이에 아주 작은 요소 결정을 배치했는데, 이 장치는 가장 깊은 해구보다 더 강력한 압력을 생성할 수 있다. 다이아몬드를 통해 레이저와 X선을 투사함으로써, 그들은 물질이 변화하는 모습을 실시간으로 관찰할 수 있었다. 결정적으로, 그들은 대칭성을 테스트하는 민감한 도구 역할을 하는 제2고조파 발생(second harmonic generation)법을 사용했다. 이 기술은 물질이 대칭 중심을 결여하고 있을 때만 신호를 생성하며, 만약 신호가 사라진다면 구조가 완벽하게 대칭이 되었음을 입증한다.
결과는 요소가 압력에 따라 겪는 여정에 대해 명확하면서도 복잡한 그림을 그려냈다. 압력이 0에서부터 증가함에 따라 요소 결정은 몇 가지 뚜렷한 상(phase)을 거치며 변화했다. 첫 번째 변화는 약 0.5 기가파스칼에서 발생했으며, 이때 물질은 새로운 비대칭 형태로 재배열되었다. 압력이 계속 상승함에 따라 연구진은 5.2에서 10 기가파스칼 사이에서 나타나는 기이한 중간 상태를 관찰했다. 이 범위에서 물질은 양자 무질서 상태에 있는 것처럼 행동했다. 보통 분자들을 견고한 격자로 붙잡아 두던 수소 결합이 부드러워지고 요동치기 시작한 것이다. 연구진은 이것이 양성자들—수소 원자 내부의 작고 양전하를 띤 입자들—이 에너지 장벽을 터널링하여 위치 사이를 불규칙하게 이동하기 때문이라고 추측한다. 이 "양자 용융(quantum melting)"은 단순한 분류를 거부하는 무질서하고 혼란스러운 상을 만들어냈으며, 이는 왜 이전 연구들이 이 압력 구역에서의 물질 구조에 대해 합의하는 데 어려움을 겪었는지를 설명해 준다.
가장 중요한 발견은 압력이 10 기가파스칼을 초과했을 때 일어났다. 이 시점에서 대칭성 테스트의 신호가 완전히 사라졌으며, 이는 요소가 중심 대칭 구조로 변했음을 확인시켜 주었다. 이는 분자들이 모든 부분이 반대편에 거울 이미지를 갖는 완벽하게 균형 잡힌 격자로 재배열되었음을 의미한다. 연구팀은 이 새로운 상을 별개의 다형체(polymorph)로 식별했으며, 이는 이러한 극한 압력 하에서 안정적이다. 이 전이는 즉각적이지 않았는데, 압력을 해제했을 때 물질이 원래 상태로 돌아가는 것에 강한 저항을 보였기 때문이다. 이는 새로운 구조가 에너지적으로 유리하지만 가역적으로 만들기 어렵다는 것을 나타낸다. 연구팀은 또한 고급 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 이러한 구조를 예측했으며, 그들의 모델은 실험 데이터와 일치하였고, 이 대칭 상이 실제로 이러한 압쇄 조건 하에서 가장 안정적인 형태임을 확인해 주었다.
이 발견이 특히 흥미로운 이유는 기존의 가설들에 도전하기 때문이다. 이전 연구들은 요소가 더 낮은 압력에서 다른 대칭 상을 통과할 것이라고 제안했으나, 새로운 데이터는 물질이 10 기가파스칼 임계값에 도달할 때까지 무질서하고 비대칭적인 상태로 남아 있음을 보여준다. 수소 결합이 요동치는 상태인 중간 구역은 질서와 무질서의 규칙이 모호해지는 독특한 물질 상태처럼 보인다. 연구진은 수소 원자들이 단순히 가만히 있는 것이 아니라, 압력이 압도적이 될 때까지 고정된 대칭 패턴으로 자리 잡기 전까지 역동적인 전하 이동과 움직임의 춤에 참여하고 있다는 것을 발견했다. 이러한 거동은 심해의 얼음에서 일어나는 현상을 반영하며, 요소가 이러한 극한의 행성 조건을 연구하기 위한 더 단순하고 접근하기 쉬운 모델이 될 수 있음을 시사한다.
팀은 직접적인 관찰과 이론적 예측을 결합하여 압력 하에서의 요소의 거동에 대한 수정된 지도를 구축했다. 그들은 대칭으로 가는 경로가 직선이 아니라 양자 효과가 지배하는 격동적이고 무질서한 중간 지대를 포함한다는 것을 보여주었다. 이 연구는 단순히 새로운 결정 형태를 목록화하는 것을 넘어, 수소 결합이 한계에 몰렸을 때 어떻게 행동하는지에 대한 창을 제공한다. 이는 적절한 조건 하에서 화학 결합의 본질 자체가 변할 수 있으며, 원자들이 일반적인 압력에서는 불가능한 방식으로 공간을 공유할 수 있게 함을 시사한다. 지구 내부를 연구하거나 신소재를 설계하는 과학자들에게, 이 발견은 주변 세계가 파괴될 정도로 압착될 때 물질이 어떻게 스스로를 조직하는지에 대한 더 명확한 이해를 제공한다.
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