백만 기압 이상의 압력에서 유리의 무질서도의 기원
[사설토토성과/기대효과]
유리는 네트워크 형성 원소(network former)와 네트워크 교란 원소(network modifier)로 구성됩니다. 네트워크 형성 원소는 유리 네트워크를 견고하게 만드는 역할을 담당하는 반면, 네트워크 교란 원소는 유리 네트워크의 다양성을 증가시키면서 전반적으로 네트워크를 느슨하게 만드는 역할을 합니다.
유리에 극한의 압력(백만기압 이상)을 가한 상태에서 유리의 전자구조가 극한 압력의 스트레스에 적응하는 메커니즘을 확인하여, 초고압 하에서 물성이 변화하는 원인을 규명할 수 있습니다.
본 사설토토에서는 대기압의 140만 배에 해당하는 극한 고압 환경에서 네트워크 교란 원소 주변의 화학적 결합구조가 현저히 바뀌는 것을 실험적으로 규명하였습니다. 특히, 유리 네트워크의 고밀도화가 네트워크 교란 원소 주변의 무질서도 증가를 수반하며, 이러한 무질서도는 교란 원소 주변의 결합구조의 왜곡 (뒤틀림, distortion)에서 비롯됩니다.
본 사설토토는 네트워크 교란 원소의 결합 환경이 초 극한 고압에 어떻게 적응하는지를 보여주는 최초의 실험 결과입니다. 이 결과를 통해 압력이 증가하면 유리의 전기 전도성과 전자 저장 능력이 향상될 것으로 예측되며, 따라서 차세대 전자소자·에너지 저장 재료 설계 등에도 유용합니다.
지구 내부의 마그마도 유리와 매우 유사한 구조를 가지므로, 본 사설토토 결과로 유추하면, 지구 맨틀 최하부의 2800 km 깊이(대기압의 135만배의 압력 조건)에 존재하는 것으로 추정된 고밀도의 마그마 또한 원자구조의 뒤틀림과 이에 수반된 무질서를 가지고 있을 것으로 유추됩니다. 즉, 상기한 원자구조의 무질서도와 뒤틀림이 행성내부 고밀도 마그마의 존재 이유임을 지시합니다.
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□ 사설토토의 중요성 및 배경
유리(glass)는 핸드폰의 덮개, 디스플레이 패널, 광섬유, 창유리 등 인간 생활에서 필수적이며, 따라서 유리가 없는 세상은 상상하기 어렵습니다.
유리는 대부분은 산화물계 유리(oxide glass)로 결정구조를 가지지 않은 비정질(non-crystalline)이며, 신경계 등과 같이 구성 원소들이 복잡하게 연결된 3차원 네트워크(network)입니다. 이러한 유리의 구성 원소들은 네트워크 형성 원소(network former)와 네트워크 교란 원소(network modifier)로 구분됩니다.
네트워크 형성 원소는 유리의 네트워크를 더 견고하게 만들어 네트워크의 버팀목의 역할을 담당하는 반면, 네트워크 교란 원소는 유리 네트워크의 다양성을 증가시키면서 전반적으로 네트워크를 더 느슨하게 만드는 역할을 합니다.
위와 같이 서로 상반된 역할을 하는 형성 원소와 교란 원소들이 어느 정도 있는지에 따라 유리 네트워크의 딱딱하고 부드러운 정도, 화학적인 내구성, 빛과 전자가 유리를 통과하며 이동하고 저장되는 유리만의 독특한 성질들이 발현됩니다.
따라서, 유리의 성질을 예측하고 첨단 소재로서 기능성을 판단하기 위해서는 네트워크 형성 원소와 교란 원소 주변의 원자-결합 환경을 규명하는 것이 필수적입니다.
특히, 대기압의 백만 배 이상의 초 극한 고압 환경(high-pressure)하에서는 전반적인 구조가 치밀해지는 고밀도화가 진행되며, 이때 네트워크 교란 양이온의 결합 환경의 변화로부터 유리의 경도와 내구도의 증가, 유리 네트워크와 광학적-전기적 성질(굴절율, 전도도 등)의 변화 간의 관계에 대한 원자 단위의 원인을 찾아낼 수 있습니다.
이런 중요성에도 불구하고, 초 극한 압력(혹은 스트레스)조건에서 유리의 네트워크 교란 원소들이 어떤 거동을 보이는 가에 대해 알려진 바가 없습니다. 특히 백만기압 이상의 압력 조건을 유리 네트워크가 어떻게 적응하고, 이에 따라 전자 결합 환경이 어떻게 변화하는지는 자연과학의 난제 중 하나입니다.
□ 사설토토 결과 및 해석
토토사이트 지구환경과학부 이성근 교수의 사설토토팀은 미국 아르곤 국립사설토토소의 사설토토팀과 공동으로 최대 140만 기압 하에서 유리의 네트워크 교란 원소의 전자 결합 구조가 압력에 따라 변하는 양상을 실험적으로 최초로 보고하였습니다.
극한의 스트레스 하에서 유리의 네트워크의 결합구조는 1기압의 구조와 매우 다릅니다. 특히, 백만 기압 이상의 극한 압력 조건에서 유리의 네트워크 교란 원소들의 원자구조가 고밀도화를 겪는 과정에서 주변의 산소와의 결합거리가 급격하게 감소하였는데도 불구하고, 원자환경의 무질서도는 오히려 증가합니다.
이러한 교란 원소 주변 무질서도의 증가는, 네트워크 교란 원소 주변의 구조의 왜곡 (뒤틀림, distortion)에서 기인하는 것을 발견하였습니다. 특히, 사설토토진은 실험으로 구조의 뒤틀림을 나타내는 지표 중 하나인 리간드 장 분할(Ligand field splitting)이 1기압에 비해 140만 기압의 압력에서 2배 이상 증가하는 것을 발견하였습니다(아래 그림 참조).
네트워크 교란 원소들이 극한 압력에서는 공간적 제약으로 1기압에서와 같은 다양성을 유지하기 힘들 것으로 예상되었으나, 백만기압 이상의 극한 고압 환경에서도 교란원소들은 지속적으로 유리의 무질서도를 지속적인 증가시키는 역할을 담당하는 것을 발견하였습니다.
□ 사설토토의 의의
본 사설토토는 네트워크 교란 원소의 결합 환경이 초 극한 고압에 어떻게 적응하는지를 보여주는 최초의 실험 결과입니다. 이 결과를 통해 압력이 증가하면 유리의 전기 전도성과 전자 저장 능력이 향상될 것으로 예측되며, 따라서 차세대 전자소자·에너지 저장 재료 설계 등에도 유용할 것으로 예상합니다.
자연계에서의 지구/행성 내부의 마그마도 비정질로써 유리와 매우 유사한 구조를 가집니다. 본 사설토토 결과로부터 지구 맨틀 최하부의 2800 km 깊이(대기압의 135만배의 압력 조건)에서 고밀도의 비정질 마그마 또한 뒤틀림과 이에 수반된 무질서를 가지고 있고, 이것이 초극한 행성내부 마그마의 존재 이유임을 알 수 있습니다.
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성명: 이성근 토토사이트 자연과학대학 지구환경과학부 교수
박사: 스탠포드대학교 지질환경학과 (부전공: 화학)
석사: 스탠포드대학교 화학공학과 석사: 토토사이트 지질과학과
학사: 토토사이트 지질과학과 (부전공: 재료공학)
□ 사설토토비 지원 프로그램
한국 사설토토재단의 리더 과제 지원으로 수행되었습니다.
4국가지원사설토토센터
Electronic Configurational Transformation of Network Modifiers in Aluminate Glass above Megabar Pressures
Shujia LiJae-Hyeon ParqYoo Soo YiYuming XiaoPaul ChowGuoyin ShenSung Keun Lee
(Journal of the American Chemical Society, https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c11161)
- 43학부대학비정질과 결정질 : 유리나 행성 내부의 마그마와 같은 비정질(glass)과 결정(crystal)은 정확히 같은 화학 성분으로 만들어졌더라도, 압력에 따른 전자구조와 화학 결합 특성의 반응 방식이 상당히 다릅니다. 결정은 원자 배열이 규칙적이어서 구조 변화가 비교적 예측 가능하지만, 유리는 원자 배열이 상대적으로 불규칙하여 변화 양상을 예측하는게 훨씬 어렵습니다.
- 43학부대학리간드 장 분할 (Ligand-field splitting) : 본 사설토토에서는 배위 화합물에서 중심 양이온과 주변 음이온(산소)의 분포로 형성된 리간드 사이의 전자 상호 작용으로 인해 발생하는 전자구조 변화와 에너지 준위 변화
[그림설명]
그림|오른쪽. 다이아몬드 사이에 위치한 유리를 가압하여 유리 고밀도화에 수반하는 네트워크 교란 원소(초록색원소)의 원자구조 변화. 왼쪽. 압력의 증가에 따른 유리의 네트워크 교란 원소 주변의 리간드 장 분할(Ligand-field splitting)의 증가.