인류가 처음으로 원자폭탄의 위력을 목격한 것으로 여겨지는 트리니티 핵실험 이후 80여년이 지난 지금, 과학자들은 아직도 그 잔재 속에서 새로운 과학적 발견을 찾아내고 있습니다. 최근 이번 역사적 핵폭발이 남긴 물질을 최근 분석한 결과, 핵폭발 생성물에서 처음으로 포접화물(clathrate)이라는 결정구조가 확인된 것으로 나타났다.
1945년 7월 16일, 미국은 맨해튼 프로젝트의 일환으로 뉴멕시코 사막에서 "트리니티"라는 코드명 플루토늄 폭탄의 시험 폭발을 실시했습니다. 원자폭탄은 TNT 약 2만1000톤에 해당하는 에너지를 방출해 폭발 중심부의 암석과 금속 지지구조물을 기화시키고, 주변의 많은 모래를 뒤섞어 격렬한 '원자폭풍'을 일으켰다. 고온, 수만 기압이라는 극한의 조건 하에서 30m 높이의 테스트 타워 철골 구조물 속 이들 녹은 모래, 점토, 금속, 그리고 수많은 구리 케이블이 순간적으로 융합되고 급속히 냉각되어 마침내 '트리니타이트'라는 이름의 유리 같은 물질이 형성되었습니다.
만화의 크립토나이트와 유사하게 트리니티 유리에는 다양한 "버전"이 있습니다. 일반적인 것은 녹색 유리인 반면, 구리 함량이 더 높은 빨간색 유리는 구리 케이블과 브래킷에서 더 많은 금속이 통합되어 독특합니다. 한때 핵실험장 방문객들이 기념품으로 수집한 이 유리는 이제 극한 상황에서 독특한 화학 반응을 연구하는 데 귀중한 샘플이 되었습니다.
이르면 2021년 이탈리아 피렌체대학교 지질학자 루카 빈디(Luca Bindi)가 이끄는 연구팀이 빨간색 트리니티 유리 샘플에서 새로운 정이십면체 준결정 구조를 발견해 주목을 끌었다. 최신 연구에서 Bindi 팀은 X선 회절 및 전자 탐침 기술을 사용하여 구리가 풍부한 적색 트리니티 유리의 작은 방울에 대한 심층 분석을 수행했습니다. 그 결과, 이전에 준결정이 발견되었던 지역 근처에서 새로운 결정물질이 확인되었습니다.
연구팀은 최신 보고서에서 “우리는 트리니티 핵실험 중 이전에 알려지지 않았던 [칼슘-구리-실리콘] 유형 I 포접 결정이 형성되었음을 보고했다. 핵폭발의 고체 생성물에서 포접 구조의 존재가 결정학적으로 확인된 것은 이번이 처음이다”라고 적었다. 포접물은 자연에서 널리 발견되며 다른 원자나 분자를 "포착"할 수 있는 결정 격자의 새장형 구조를 특징으로 합니다. 불규칙한 준결정과 구조적 배열은 다르지만 삼위일체 유리에 들어 있는 두 준결정의 원소 조성은 비슷해 연구자들은 두 준결정 사이에 더 깊은 구조적 관계가 있는지 생각하게 됐다.
연구팀은 포접입자와 준결정 모두 사막 모래와 금속 시험탑에서 흔히 발견되는 원소로 구성돼 있어 둘 다 핵폭발 과정에서 생성됐다고 결론 내릴 수 있다고 지적했다. 그러나 샘플 구성을 기반으로 한 계산 모델은 정상적인 조건에서 이 포접 구조가 구리 함량이 약 10%일 때만 안정적으로 존재할 수 있는 반면 Trinity 유리의 실제 구리 함량은 21%에 도달한다는 것을 보여줍니다. 이는 이 "새장 같은" 결정이 핵폭발의 "눈 깜박임"이라는 순간 창에서 "얼어붙은" 것처럼 온도와 압력이 급격하게 상승했다가 빠르게 감소하는 매우 짧은 시간에 즉시 생성되어야 함을 의미합니다.
이 연구는 또한 이 발견이 삼위일체 준결정 구조를 설명하기 위해 단순한 "포접 구조"를 사용할 가능성을 배제하고 극한 조건에서 생성된 실리콘이 풍부한 상이 독립적이고 뚜렷한 구조적 특성을 갖는다는 점을 강조했다고 지적했습니다. 과학자들은 이러한 극한 환경은 극히 드물며, 인류가 더 이상 핵폭발을 통해 이러한 극한 환경을 현실에 재현하지 않기를 바라고 있습니다. 그러므로 삼위일체 시험에서 남겨진 유리 암석은 이 '파멸의 순간의 창조'에 대한 독특한 자연 실험 기록이 되었다. 관련 연구 결과가 PNAS(Proceedings of the National Academy of Sciences)에 게재되어 극한 상황에서 물질 형태와 결정 구조의 진화를 이해할 수 있는 새로운 관점을 제시했습니다.