아인슈타이늄의 베일이 벗겨졌다

1952년 발견 후 최초로 구조‧분광 특성 파악

아인슈타이늄은 1952년 11월 미국에서 있었던 수소폭탄 실험 생성물 속에서 발견된 원소다.

99개의 양성자와 99개의 전자를 가지고 있으면서 화학원소 주기율표 아랫부분 캘리포늄과 페르뮴 사이에 모호하게 자리를 잡고 있는데 원소기호는 Es이다.

앨버트 아인슈타인을 기념해 아인슈타이늄(einsteinium)이라고 명명했지만 아인슈타인과는 전혀 관계가 없다. 특수 원자로에서 극히 소량만 생산할 수 있는 만큼 사용처도 적었고 과학자들 역시 그 특성을 밝혀내지 못하고 있었다.

베일에 가려져 있던 원자번호 99번의 원소 아인슈타이늄(Es)이 최근 과학자들의 끈질긴 연구 끝에 그 특성이 일부 밝혀졌다. 사진은 Es에서 분출된 강력한 방사선. ⓒWikipedia

무거운 원소 연구의 르네상스 열려

그러나 최근 과학자들이 베일에 가려져 있던 아인슈타이늄의 비밀을 밝혀내고 있다.

이 일을 수행하고 있는 사람들은 미국 로렌스 버클리 국립연구소의 중원소 화학그룹을 이끌고 있는 레베카 아버젤(Rebecca J. Abergel) 박사 연구팀이다.

8일 ‘뉴욕타임스’에 따르면 아버젤 박사 연구팀은 원소조차 구하기 힘든 상황에서 어려움을 극복하고 연구에 성공했다. 논문은 지난주 ‘네이처’ 지에 게재됐는데 제목은 ‘Structural and spectroscopic characterization of an einsteinium complex’이다.

논문을 접한 로스앨러모스 국립연구소의 데이비드 클락(David L. Clark) 박사는 “연구팀이 절묘한 역작(tour de force)을 창출했다”며, “(가벼운 원소와) 다른 특성을 가진 이런 무거운 원소 연구에서 르네상스가 열렸다.”고 격찬했다.

클락 박사는 또 “(아인슈타이늄과 같은) 무거운 원소들을 새로운 원자로나 암 치료에 사용할 수 있다.”고 설명했다.

연구팀은 논문을 통해 무거운 원소들의 특성을 파악하는 것이 희소성과 방사능으로 인해 제한돼왔으며, 특히 주기율표에서 가장 무거운 그룹에 속해 있는 아인슈타이늄(Es)의 경우는 더 큰 제한을 받아왔다고 말했다.

연구에 사용한 것은 200 나노그램 미만의 254Es(반감기 275.7일)이다. 이를 통해 아인슈타이늄의 결합거리를 결정하는 분광 및 구조 연구를 진행할 수 있었다고 밝혔다.

새로운 사실도 밝혀냈다. 아인슈타이늄보다 낮은 원자번호의 악티나이드 원소에서 관찰되지 않았던 금속 착물에 대한 변색, 단일 전자 궤도 운동량과 스핀이 결합돼 전체 운동량을 형성하는 과정 등을 분석할 수 있었다고 밝혔다.

연구팀은 논문을 통해 “이번 연구가 이전의 악티나이드 복합화 연구 결과를 보완해 악티나이드 요소의 비정상적인 동작을 계속 연구해야 할 필요성을 강조하고 있다.”며, 이번 연구의 중요성을 강조했다.

주기율표의 놀라운 구조결합 원리 나타내

아인슈타이늄에 대한 연구 과정은 시련의 연속이었다.

아버젤 박사는 그동안의 연구 및 논문 작성 과정에 대해 ‘장기간 이어진 일련의 불행한 사건의 연속’이라고 설명했다.

수년 전부터 아버젤 박사는 최초의 원자폭탄 실험에 사용된 우라늄을 생산한 오크리지 국립연구소로부터 아인슈타이늄을 얻을 기회를 기다리고 있었다. 2019년 첫 번째 기회를 놓친 상황에서 포기하지 않고 기다린 결과 250 나노그램의 아인슈타이늄을 손에 넣었다.

이는 2500억 분의 일 그램도 되지 않는 양이었는데 심각하게도 이 미량의 원소가 주기율표 이웃에 있는 캘리포늄으로 심하게 오염돼 있었다. 연구팀은 오염을 해소하기 위해 X-선을 사용했는데 이로 인해 원소에 충격을 주어 초기 계획이 좌절되는 아픔을 겪었다.

이런 과정들을 통해 많은 시간이 소요되고 있었고, 매월 약 7%의 아인슈타이늄 원자가 사라지고 있었다.

이런 문제를 해소하기 위해 연구팀은 원자를 8개 위치에 결합시키는 발톱 모양을 한 큰 분자구조를 만들었다. 이 구조를 연구하기 위해 SLAC 국립 가속기연구소에 있는 또 다른 연구센터를 이용해야 했는데 샘플이 너무 산성이어서 용기가 고장 나는 어려움을 겪었다.

우여곡절 끝에 원자폭탄의 발상지인 로스앨러모스 국립연구소에서 연구를 위한 새로운 용기를 설계했고 마침내 실험을 진행할 수 있었다.

연구팀은 분자 집게에 들어 있는 8개의 원자 사이의 길이를 측정했는데 2.38 옹스트롬이었다고 밝혔다. 당초 2.42 혹은 2.43 옹스트롬을 예상하고 있었지만 통계적으로 유의미한 차이가 발생했다.

과학자들은 이번 연구 결과로 아인슈타이늄에 대해 놀라운 통찰력을 갖게 됐다고 기뻐하고 있다. 로스앨러모스 연구소의 클락 박사는 “이런 특성들이 주기율표에서 놀라운 구조와 결합의 원리를 가르쳐주고 있다.”고 말했다.

현재 악티늄은 암 치료제로 시험되고 있는 중이다. 그러나 이 중원소의 구조가 잘 이해되지 않아 이를 포함하는 분자를 설계하기가 어려운 상황이다. 이번 아인슈타이늄 연구는 향후 중원소의 특성을 이해하고 습득하는데 큰 도움을 줄 수 있을 것으로 기대되고 있다.

(17054)

뉴스레터 구독신청
태그(Tag)

전체 댓글 (0)

과학백과사전