과학자들, 금속 원자 사이 틈에 있는 수소 추적

연구진이 금속 합금 내부에서 무거운 형태의 수소가 분포하는 모습을 지도화해, 수소가 구조적 결함에만 모이는 것이 아니라 원자 사이의 미세한 공간에도 자리한다는 증거를 발견했다.

수소는 강한 금속의 취성을 높여 균열이 생기기 쉽게 하므로 수소 저장·운송 장비에서 우려 요인이 된다. 그러나 수소 원자는 매우 쉽게 움직여 과학자들이 측정하기 전에 시료에서 빠져나갈 수 있다.

Nature에 발표된 이번 연구에서 시드니대학교가 이끄는 연구팀은 실험 신호를 장비에 이미 존재하는 수소와 구분하기 위해 무거운 형태의 수소인 중수소를 사용했다. 원자 손실을 줄이려고 시료를 액체질소로 냉각한 뒤, 극도로 작은 규모에서 원소의 3차원 분포를 그리는 원자탐침단층촬영법을 적용했다.

분포 지도에서는 화학적 특성과 원자 배열상 수소를 더 강하게 붙잡을 것으로 예측된 영역에 중수소가 집중되는 현상이 반복해서 나타났다. 연구진은 니켈 기반 합금에서 서로 인접한 영역 사이의 차이도 검출했으며, 이는 각 영역의 수소 보유 능력에 관한 이론적 예측과 일치했다.

추가 실험은 검출된 중수소 대부분이 원자 사이 공간에 자리한다는 해석을 뒷받침했다. 다만 드러나지 않은 결함이 일부 영향을 미쳤을 가능성은 배제할 수 없었다. 이번 성과는 그동안 포착하기 어려웠던 수소의 상태를 조사할 수단을 제공해, 수소 거동에 관한 계산을 실험적 증거와 연결하는 데 도움을 준다.