Single-crystal X-ray diffraction of BC8 carbon near terapascal pressures
이 연구는 테라파스칼 압력 하의 용융 탄소로부터 형성된 단결정으로서 오랫동안 예측되어 온 BC8 탄소 상에 대한 최초의 직접적인 결정학적 식별을 보고하며, 다이아몬드 너머의 탄소 구조에 관한 수십 년간의 불확실성을 해결한다.
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천왕성이나 해왕성과 같은 행성의 핵 깊은 곳, 그리고 어쩌면 멀리 떨어진 이국적인 세계들의 중심부에서, 탄소는 우리의 일상적인 경험을 거부하는 조건 아래 존재합니다. 그곳의 압력은 테라파스칼 단위로 측정될 만큼 엄청나며, 이는 해수면에서 우리를 누르는 대기의 무게보다 수백만 배 더 큰 힘을 나타내는, 시각화하기조차 어려운 거대한 단위입니다. 이러한 압도적인 무게 아래에서는 연필 속의 부드러운 흑연이나 반지 속의 단단한 다이아몬드처럼 우리가 알고 있는 친숙한 형태의 탄소가 변할 것으로 예상됩니다. 수십 년 동안 과학자들은 강력한 컴퓨터를 사용하여, 이 극단적인 깊이에서 탄소가 BC8이라 불리는 더 밀도가 높은 새로운 구조로 재배열될 것이라고 예측해 왔습니다. 이 이론적인 형태는 다이아몬드보다 더 촘촘하게 채워져 있다고 생각되지만, 40년 동안의 탐색에도 불구하고 그 누구도 이를 직접 목격하지 못했습니다. 질문은 이것이 남았습니다: 이 숨겨진 물질의 상(phase)이 실제로 존재하는가, 아니면 단지 수학적인 유령에 불과한가?
연구팀은 BC8 탄소의 첫 번째 직접적인 결정학적 증거를 만들어냄으로써 마침내 그 질문에 답했습니다. 이를 찾아내기 위해 그들은 자연이 조건을 제공하기를 기다리는 대신, 고출력 레이저를 사용하여 실험실에서 그 조건을 재현했습니다. 단일 다이아몬드 결정에 짧고 강렬한 빛의 펄스를 발사함으로써, 그들은 재료를 관통하며 지나가는 충격파를 생성하여 이를 1.1에서 1.2 테라파스칼 사이의 압력으로 압축했습니다. 이 과정은 10억 분의 1초 만에 일어날 정도로 매우 빨랐지만, 다이아몬드를 액체 상태로 녹인 후, 충격파가 약해짐에 따라 탄소 원자들이 냉각되어 다시 고체로 형성되기에 충분히 빠른 시간이었습니다. 연구원들은 동기화된 X선 펄스를 샘플에 발사하여 이 찰나의 순간을 포착했는데, 이는 마치 고속 카메라 플래시처럼 작동하여 원자 구조를 그 자리에 고정시켰습니다.
결과로 얻은 이미지는 그러한 혼돈스러운 사건에서 예상할 수 있는 흐릿하거나 번진 패턴이 아니었습니다. 대신, X선은 마치 컷팅된 보석에 빛이 닿을 때 보이는 선명한 반사처럼 뚜렷하고 명확한 점들을 만들어냈습니다. 이 점들은 결정의 특징이며, 과학자들은 이 점들 사이의 각도와 거리를 측정함으로써 탄소 원자의 정확한 배열을 지도화할 수 있었습니다. 그들이 발견한 패턴은 예측된 BC8 구조의 기하학적 형태와 완벽하게 일치했습니다. 이는 중요한 돌파구였는데, 이전의 실험들은 광범위하고 모호한 신호를 바탕으로 구조를 추측했을 뿐이거나, 새로운 상을 전혀 발견하지 못했기 때문입니다. 이 연구에서 연구원들은 탄소가 다이아몬드로 남아 있거나 무질서한 액체로 변하는 대신, 실제로 BC8이라는 단일하고 일관된 결정으로 변형되었음을 증명할 수 있었습니다.
이 실험은 또한 이 변형이 어떻게 일어나는지에 대한 결정적인 사실을 밝혀냈습니다. 단순히 압력으로 탄소를 쥐어짜는 것만으로는 BC8 형태를 강제하기에 충분하지 않았으며, 재료는 반드시 특정한 방식으로 가열된 후 냉각되어야 했습니다. 다이아몬드는 먼저 녹아서 원자들이 새로운 더 조밀한 위치를 찾을 수 있도록 움직임의 자유를 주어야 했고, 그 후에 다시 고정되어야 했습니다. 이 발견은 왜 이전의 BC8 생성 시도들이 실패했는지를 설명해 줍니다. 그 실험들은 대개 탄소를 내내 고체 상태로 유지하여 다이아몬드 형태에 가두어 버렸기 때문입니다. 액체 상태를 거치도록 유도함으로써, 연구원들은 자연이 행성의 깊은 내부에서 사용하는 경로를 열어냈습니다.
새롭게 관찰된 BC8 탄소의 밀도는 약 7.19 g/cm³로 측정되었으며, 이는 이 고압 상에 대한 이론적 예측과 일치하는 값입니다. 연구진은 이 결정 구조가 극심한 열과 불균일한 압력으로 인해 약간의 왜곡을 보였다고 언급했지만, 물질의 핵심 정체성은 명확했습니다. 이 발견은 단순히 오래된 이론을 확인하는 것을 넘어, 탄소가 풍부한 행성의 구성을 이해하는 구체적인 기준점을 제공하며, 가장 극단적인 조건에서 물질이 어떻게 행동하는지에 대한 우리의 지식을 향상시킵니다. 또한 이는 미래의 연구를 위한 문을 열어주며, 만약 과학자들이 이 물질을 포착하고 유지하는 법을 배울 수 있다면, 언젠가 다이아몬드보다 더 단단한지 또는 전기를 얼마나 잘 전도하는지와 같은 독특한 특성들을 연구할 수 있을 것임을 시사합니다. 현재로서, BC8 탄격의 상을 찾기 위한 수십 년간의 탐구는 컴퓨터 시뮬레이션의 영역에서 실험실의 현실로 옮겨왔습니다.
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