금을 인공적으로 만들 수 있을까?

보석과 귀금속에는 여러 종류가 있으며, 다양한 요인에 의해서 가치가 결정됩니다. 잘 알려진 것들 중 다이아몬드와 금이 대표적인데, 이들은 화학적으로 안정해 그 성질이 잘 변하지 않아 영원함을 상징한다고 하여 장신구로 인기가 많습니다.

특히 금은 오래 전부터 전 세계적으로 화폐의 기능을 해왔기에 안전 자산으로 간주되는 아주 가치 있는 보석입니다. 여기서 주제의 의문이 생깁니다. 일부 보석은 인공적으로 만들 수 있는데, 금도 만들 수 있을까요?

결론부터 말하면 만들 수 있으나 만들 이유가 없습니다. 주기율표라고 원소를 구분하기 쉽게 성질에 따라 배열한 표가 있습니다. 이 표에서 금(Au) 원소는 원자 번호 79번에 해당하고, 일반적으로 79개의 양성자와 118개의 중성자로 이루어진 핵과 79개의 전자로 구성된 원자를 말합니다. 그리고 이 원자가 다량 모인 상태의 금속을 ‘금(Gold)’이라고 합니다.

그렇다면 금 원자를 만들 수 있으면 금(Gold)을 만들 수 있다는 것인데, 화학적인 방법으로 가능한지 생각해보면 과거 연금술사들이 수은(Hg)으로 금(Au)을 만들고자 시도한 적이 있습니다.

당시 수많은 시도가 화학의 발전에 큰 공헌을 했으나 화학적인 방법으로는 원자간의 결합을 변화시킬 수 있어도 원소 자체는 변형시킬 수 없기에 불가능한 일입니다.

그렇다면 물리적인 방법으로는 가능할까요? 금 원소를 만들려면 다른 원자의 핵에서 양성자의 개수만 금 원소와 동일하게 만들면 됩니다.

양성자의 개수를 조절하는 방법은 입자가속기에서 발생한 고속의 (외부의) 중성자를 원자의 핵에 부딪치게 하여 일어나는 반응을 이용하면 됩니다.

나타나는 반응들은 간략히 보면 위와 같고, 이중 두 번째(n,p) 반응을 활용하면 금(Au)을 만들 수 있는데, 수은(Hg)에 중성자를 강하게 충돌시켜서 수은 핵의 양성자 하나가 나오게 하면 됩니다.

이와 관련해 실제 1941년 실험한 적이 있고, 3~400g의 수은에 중성자를 충돌시켰더니 10mg 이하의 금(Au)과 250mg 이하의 백금(Pt)이 만들어졌다고 합니다.

문제는 이후 수많은 화학적 정제 과정을 거쳐야 했고, 또 이렇게 만들어진 금(Au)과 백금(Pt)은 방사성 동위원소들이라서 시간에 따라 베타 붕괴되어 다른 원소로 변한다는 겁니다.

또 이러한 방식으로 금을 만드는 것은 자연에서 채취하는 것보다 비경제적입니다. 입자가속기에는 건설에만 1조 원 이상이 들어가고, 건설 후에 유지 및 보수 비용도 만만치 않습니다. 즉, 그 돈으로 금을 구매하는 것이 합리적이므로 현재의 기술로는 금을 만들 이유가 없습니다.

그렇다면 다이아몬드는 어떻게 만들어내는 걸까요? 다이아몬드는 금에 비하면 만들기가 한결 쉽습니다. 탄소로 이루어진 단결정성 물질 중 정사면체 결정 구조를 가지는 것을 다이아몬드라고 하는데, 자연에서 얻어지는 다이아몬드는 지층의 중간에서 고온 고압의 환경을 받아 탄소가 결정성을 가지게 되어 생성됩니다.

즉, 인위적으로 고온 고압의 환경을 만들어 주면 흑연과 같은 탄소가 다이아몬드로 변하게 됩니다. 만드는 방법은 크게 세 가지가 있습니다.

순수한 탄소의 상평형도에서 다이아몬드 영역까지 압력과 열을 가해주는 방법으로 보통은 여섯 방향에서 잘 맞물리도록 만들어진 틀로 강하게 누르면서 가열해주면 흑연의 결정 구조가 다이아몬드의 결정 구조로 변합니다.

나머지 두 방식은 엄밀히 말해 다이아몬드를 만드는 방법보다는 크게 키우는 방법인데, 일반적으로 1,000~2,000℃ 사이의 온도와 대기압의 5~10만 배(5~10GPa) 압력에서 흑연과 같은 탄소 물질에 철 또는 철합금과 같은 촉매를 작은 다이아몬드와 함께 넣어 가열 가압하는 방법이 하나 있습니다.

나머지 하나는 시드 다이아몬드를 저압에서 탄화수소 가스(*일반적으로 메탄(Methane, CH4))와 과량의 수소(Hydrogen, H2)를 주입해 높은 전압으로 플라즈마 형태로 만든 뒤 여기서 발생된 이온화된 탄소를 이용해 성장시키는 방법입니다.