지구과학이나 환경과학적 연구 분야에서, 방사성동위원소(radioactive isotope)나 시간에 따른 원소의 변화를 측정하는 것은 이들의 연대(age)를 측정하는데 중요한 역할을 한다. 예를 들어, 비활성기체인 아르곤(39Ar)의 동위원소는 물이나 빙하의 연대를 측정하는데 이용된다. 하지만 그러한 동위원소들은 매우 드물다. 실제로 아르곤(39Ar) 동위원소는 1000조 분의 1의 확률로 발생한다. 따라서 그러한 원소들을 찾으려고 하는 과학자들의 노력은 흡사 건초더미에서 바늘을 찾는 것과 유사하다.

이제, 이러한 문제를 해결하고자 하이델베르크대(Heidelberg University)의 연구자들이 아르곤(39Ar)을 이용해 물의 연대를 측정하는 방법에 있어 이를 업그레이드시킬 수 있는 기술을 개발했다. 연구자들에 따르면 이러한 연구 결과는 대양에서 심해의 순환이나 빙산을 연구할 때, 새로운 견해를 열어줄 수 있을 것으로 보인다. 이번 연구 결과는 Geophysical Research Letters지에 게재되었다.

방사성 동위원소를 이용한 가장 잘 알려진 연대측정은 고고학적 발견이나 주변 환경에서 발견되는 유기 물질의 연대를 측정하는데 이용되는 방사성탄소 연대측정이다. 비슷하게, 비활성기체인 아르곤과 크립톤(krypton)의 방사성 동위원소 측정은 지하수나 심해 혹은 빙산이 생겨난 시점을 측정할 때 이용된다. 물로부터 드물게 존재하는 원자들을 분리하고 이를 탐지하기 위해, 혁신적인 실험 시스템이 양자역학 시스템에 기반해 수립되었다. 이를 이용해 하이델베르크대 (Heidelberg University)의 연구자들은 처음으로 아르곤(39Ar)을 이용해 지하수의 연대를 측정하는데 원자포집흔적분석(Atom Trap Trace Analysis (ATTA))으로 알려진 방법을 사용했다.

Werner Aeschbach-Hertig 박사가 이끄는 연구팀은 처음으로 1000리터의 지하수로부터 순수한 아르곤을 분리하는데 성공했다. 특별하게 개발된 ATTA장치를 이용해 키르호프연구소(Kirchhoff Institute)의 Markus Oberthaler 박사가 이끄는 연구팀은 아르곤(39Ar)을 가두어 이를 탐지하는데 성공했다. 연구자들은 이 성과가 아르곤(39Ar)을 이용한 다양한 응용 분야를 만들어내는데 기여했다고 강조하고 있다.

이에 대해 Oberthaler 교수는 "그 프로젝트는 어떻게 기본적인 양자역학적 속성에 대한 연구가 새로운 응용 분야를 만들어낼 수 있는지에 대한 훌륭한 예를 보여주고 있는 것"이라고 말했으며 그 연구의 선임연구원인 Florian Ritterbusch 박사 역시 "이론적으로 1리터의 물이면 측정을 위해 충분한 양"이라고 강조했다. 이러한 결과를 바탕으로 이 기술은 곧 알프스 산의 빙하의 연대를 측정하는데 이용될 예정이다. 연구자들은 또한 아르곤(39Ar)이 대양에서 심해의 순환과 관련된 연구에 잠재적인 가능성을 보일 것이라 믿고 있다.

미 아르곤국립연구소(Argonne National Laboratory)의 연구자들은 2012년 크립톤(krypton) 동위원소의 응용을 논의하기 위해 ATTA 워크숍을 개최한 바 있으며 하이델베르크 ATTA 공동연구 역시 2015년 비슷한 성격의 모임을 개최할 예정이다. 아르곤(39Ar)을 이용한 응용 분야는 상당히 늘어날 것으로 예상되며 이에 대해 연구자들은 "이 방법은 동윈 원소를 이용한 연대측정이나 다른 분야에서 응용 부분을 크게 확대해나갈 것으로 보인다"고 강조했다.

 

[출처 =  KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 10월 20일]

 

 

In the earth and environmental sciences, radioactive isotopes, atom variants that decay over time, play a major role in age determination. A radioactive isotope of the inert gas argon (³⁹Ar), for example, is used to determine the age of water or ice. Such isotopes are extremely rare, however -- only a single ³⁹Ar isotope occurs in a thousand trillion argon atoms. Hence researchers' attempts to isolate and detect such atoms remain the proverbial search for the needle in a haystack. Physicists at Heidelberg University have now succeeded in rendering usable an experimental method developed in basic research for ground water dating using ³⁹Ar. According to the researchers, these results open up new perspectives in investigating glacial ice and deep-water circulation in the ocean.

 

The results of the research were published in the journal Geophysical Research Letters.

 

The most well-known example of age determination using radioactive isotopes is radiocarbon dating, which is used for dating organic material in the environment as well as for archaeological finds. Similarly, the abundance of radioactive isotopes of the inert gases argon and krypton can be used to determine when groundwater, deep ocean water or glacial ice formed. To detect and isolate the rare atoms from water, innovative experimental methods are used that were developed and perfected in the course of basic research on quantum mechanical systems. Scientists at the Kirchhoff Institute for Physics and the Institute of Environmental Physics at Heidelberg University were now able for the first time to use the method known as Atom Trap Trace Analysis (ATTA) to date groundwater using ³⁹Ar.

 

Members of the environmental physics working group headed by Prof. Dr. Werner Aeschbach-Hertig first isolated pure argon from over 1,000 litres of groundwater. Using a specially developed ATTA apparatus, the team of Prof. Dr. Markus Oberthaler at the Kirchhoff Institute "trapped" the ³⁹Ar atoms and detected each one. The scientists underscore that this achievement, which culminates years of joint development work, now opens the door to a multitude of new applications for ³⁹Ar dating.

 

"The project is an outstanding example of how methods developed in basic research of quantum mechanical properties can open up new application horizons," explains Prof. Oberthaler. The study's primary author, Dr. Florian Ritterbusch, is convinced that the measurement method can be made even better: "In principle, a litre of water should be enough for a measurement." These advances should soon make possible the first measurements of ³⁹Ar in glacial ice in the Alps. The researchers also believe that ³⁹Ar has the greatest potential in the study of deep water circulation in the ocean. "To do that we have to be able to take sufficiently accurate measurements from samples of less than ten litres of water," says Prof. Aeschbach-Hertig.

 

The pioneers of the new method from the Argonne National Laboratory in the U.S. organised a special ATTA workshop in Chicago in 2012 to discuss possible applications of krypton isotopes in the earth and environmental sciences. The Heidelberg ATTA collaboration is organising another such gathering to be held in March 2015. The progress made in Heidelberg in working with ³⁹Ar once again considerably broadened the range of applications, as the researchers emphasise. "The new method also represents an innovative expansion of the strong competence in isotope and dating methods that is present in Heidelberg and concentrated at the Heidelberg Center for the Environment," says Prof. Aeschbach-Hertig.

 

[원문출처 : http://www.chemistry2011.org/news/InorganicChemistry/NuclearChemistry/Radiochemistry/

MethodForDetectingExtremelyRareInertGasIsotopesForWaterDating]