서울대 지구물질과학 연구실: 과학재단 국가지정연구실
이 성 근
서울대학교 지구환경과학부
서울대학교 지구환경과학부의 지구물질과학 연구실은 2007년 7월부터 많은 분들의 도움 을 받아 한국과학재단이 지원하는 국가지정연구실에 선정되었습니다. 이에 광물학/지구환경 분야 및 관련 기초/응용 분야의 발전을 위해서 연구실에서 추구하고 있는 연구들을 간략하 게 아래에서 소개합니다. 아래의 글의 일부는 2007년 서울대 지구환경과학부의 뉴스레터 (제4권)에 게재된 연구실 소개글에서 발췌하였습니다.
일반적으로 연구하는 대상의 크기와 중점을 두는 사항에 따라, 연구대상의 미시적인 크 기단위에서의 (원자-원자의 상호관계, 원자의 전자구조, 전자와 원자핵의 스핀, 전하) 구조 와 현상에 중점을 둔다면, 이는 주로 물리학이나 화학분야의 연구로 분류될 것이며, 거시적 단위에서 물질의 성질이나 공정/대사 등에 관심을 둔다면, 재료과학이나 생물학 등에서 전 통적으로 공헌하고 있는 분야라 할 수 있습니다. 지구시스템과학을 포함한 지구환경과학은 전통적으로 전지구적 지구조작용과 연관된 자연 현상의 이해 고양을 추구하므로 연구 대상 이나 관찰하는 현상의 크기가 앞에서 언급한 분야들에 비하여 상대적으로 큽니다. 그러나 현재와 미래의 자연과학은 이러한 일반적인 학문체계의 전통적 분류가 다소 완화되며, 각 분야의 많은 발전들이 서로 교류되면서 타 분야의 발전에 직접적인 영향을 줍니다. 특히 지 질현상을 정량적-체계적으로 이해하기 위해서는 현상과 관련되는 지구물질의 원자-나노 미 터 단위의 정보와 거시적인 성질에 대한 이해가 필요합니다. 이러한 역할을 기존의 광물학 에서 중요한 공헌을 하여 왔으며, 예를 들어 지표면의 풍화과정은 광물표면의 각 결정학적 자리가 물을 포함한 유체와 원자단위의 반응의 집합적인 결과로 이해할 수도 있고, 지구내 부로 갈수록 지진파의 속도가 변하고 불연속면을 갖는 것은 지각 내부구성 물질의 원자-나 노 단위의 구조의 변화로 (예, 상전이) 설명하고 있습니다. 따라서 지구물질의 미시적 정보 와 다양한 거시적 성질과 현상은 상호 불가분의 관계를 형성합니다. 이러한 전제를 바탕으 로 한 근본적인 문제는 존재하는 미시적-거시적-전지구적 단위의 불가분의 관계의 본질은 무엇이고, 또 이것을 어떻게 규명할 수 있는가 하는 것이며, 이러한 관계 및 정보가 실제 인 간생활과 관련된, 환경/경제적 /산업적인 것과 어떤 연관성을 갖는가 하는 점입니다.
지구환경과학부의 지구물질과학 연구실에서는 위의 문제들의 해답을 구하며 지구시스템 내의 물질의 미시적인 구조 및 반응에 관련된 정보로부터 거시적인 물성과 지구조과정까지 의 근본적인 물리-화학적, 지질학적 특성을 이해하고, 지구물질의 미시적 단계에서의 상호 작용과 물성과의 관련성을 정량적으로 연구하여 이러한 미시적 변화가 자연계에서 일어나는 지질 현상에 미치는 영향을 체계적으로 정립하는 것을 추구합니다. 연구실명은 G2MAT로도 표기하고 있습니다, 여기서 G2는 전지구적-지질학적 과정 (Global-Geological process) 을 의미하고, M 은 지구물질의 물성 (Material properties)을, 그리고 AT 는 원자-나노구조 (atomic structure) 를 지칭합니다.
전술한 바와 같이 지구의 진화/지표환경 변화/ 마그마의 생성과 이동에 관련된 모든 지 질현상의 이해에 필수적임에도 불구하고 다양한 지구물질 (특히, 규산염 용융체, 마그마, 유 리질과 같은 비정질) 의 원자구조는 잘 알려져 있지가 않고 현대 자연과학의 여러 분야에서 숙제로 남아 있습니다. 지구물질과학 연구실에서는 최근에 급속도로 발달하고 있는 고상 핵
자기공명 분광분석 (NMR), 제3 세대 입자 가속기에서의 x-선 산란과 양자화학계산 (Quantum Chemical Calcualtions) 등의 실험적 이론적 방법론을 이용하여 이전에 잘 알려 지지 않았던 여러 지구물질의 구조 및 다양한 원자 단위의 구조를 조금씩 규명하고 있으며, 지구물질의 원자배열로부터 동위원소의 분화, 활동도 등의 열역학적인 성질 등이나 마그마 의 점성도 등을 유추하여 이들이 맨틀의 이동과 같은 지구조작용과 지구의 진화에 미치는 영향을 설명하고 있습니다. 아래 그림은 현재 지구물질과학 연구실에서 이용하는 방법론과 관련하여 보유하고 있는 실험기자재와 계산용 장비들과 실험을 위해 방문하는 아르곤 국립 연구소의 방사과 연구소인 APS 의 빔라인 내부를 나타내고 있습니다.
고상 핵자기 공명분광분석
(고압연구용/ 마이크로이미징용) 입자가속기에서의 비탄성 x-선 연구
고압용 다이아몬든 엔빌셀/ 레이저 분광분석기/ 양 자계산용 워크스테이션
고온지구물질 합성 용해로
그림 1. 서울대학교 지구물질과학 연구실 보유 기자재 및 주요 실험/계산 관련 장비.
위와 같은 연구와 더불어 풍화작용의 미시적 해석을 위하여 다양한 나노입자나 결정질 지구물질의 원자단위의 수용액에서의 안정도나 원자-나노미터 단위의 무기물-유기물의 상 호반응도 양자계산을 이용하여 규명합니다. 마그마 바다에서의 지구진화와 관련된 지구시스 템 내에서의 동위원소분배의 미시적 원인을 이론적으로 밝히고 있습니다. 최근에는 다양한 영상 방법을 이용하여 산업적/수리-환경학적으로 중요성을 가지는 지구물질들의 구조를 연 구하고 있습니다 (아래 그림 2 참조).
그림 2. 연구원들의 최근 연구결과(규산염나노 입자의 구조, 유기물-점토광물 흡착의 양자 계산, 지구물질의 이차원 공극이미징 분석, 서울대학교 지구물질 국가지정연구실의 구성원들 -왼쪽에서부터 김현나, 이유수, 이성근 교수, 박선영 이범한연구원)
상기한 사항과 더불어 국가지정연구소의 중점 과제 중 하나는 지구물질들의 고압에서의 원자단위 거동과 이들이 어떻게 거시적 성질과 지구의 분화 및 지질작용에 영향을 주는가를 규명하는 연구입니다. 실제 많은 지질학적 과정이 ‘지구내부’에서 일어나는 현상이므로 고압 환경하에서 지구물질의 원자-나노 구조를 아는 것이 매우 중요합니다. 그러나 여러 실험 과 정에서의 수반되는 어려움과 필요한 이론들이 정립되어 있지 않아서, 마그마의 지구내부에 서의 구조는 미개척분야로 남아 있고, 기존의 실험들은 주로 상압에서의 연구로 지구내부에 서의 거동을 유추하고 있습니다. 최근 몇 년간 고압 연구 분야의 발전으로 지구 물리탐사로 부터 얻은 지구내부의 정보와 비교할 수 있는 온도 압력 조건의 연구 결과들이 보고 되고 있다. 따라서 지각하부나 맨틀의 조성 및 구조의 다양성과 이들이 미치는 지구조적 변화를 예측하고 설명할 수 있는 연구를 수행하여 지금까지 알려져 있지 않았던 고압에서의 규산염 마그마의 구조를 이해하게 되고 지구내부 맨틀에서의 마그마의 성질을 이로부터 설명하고 있습니다. 압력 증가에 따라 용융체 시스템의 전반적 원자 구조가 현저히 바뀌는 것을 밝혀 냄으로써, 마그마의 물성이 압력에 따라 비선형적으로 변하는 현상에 대한 원자단위의 원인 을 규명하고 있습니다. 이러한 예로서는 창유리/방사성폐기물 처리/광케이블 등의 원료로 사용되는 유리/환경/나노/광학재료인 보래이트(borate) 와 같이 주기율표상에서 가벼운 원소 들로 구성된 경우, 이들의 구조를 실험적으로 규명하는데 여러 가지 실험적/기술적 어려움 이 있었습니다. 서울대학교 지구물질과학 연구실에서는 비탄성 x-선 산란과 발전된 입자가 속기에서의 x-선 광학, 그리고 이러한 실험에 적합하도록 개발된 다이아몬드 엔빌셀을 접목 하여 비정질 보래이트의 고압에서의 원자-나노 구조를 규명하였습니다. 이 외에도 고압 비 정지 시료합성과 고분해능 고체 다차원 NMR 의 접목을 통한 다양한 비정질-결정질 산화물 의 원자-나노 미터 단위 구조 규명하 있습니다 (아래 그림 3).
그림 3. 서울대 지구물질과학 연구실의 최근 연구결과. 비정질 보래이트의 비탄선 산란 스 펙트럼 (왼쪽, Lee et al. Phys. Rev. Lett. 2007) 과 배위수 변화의 조성의존도(오른쪽 아래,
Lee et al. in review), 비정질 규산염의 고압구조 모델링산 (오른쪽 위, Lee, et al. PNAS, in press)
비정질-결정질 지구물질은 전술한 바와 같이 지구환경학적인 의의와 더불어 산업적/환경 적으로 매우 중요한 역할을 합니다. 예를 들어, 현재에 사용되는 대부분의 광학유리는 마그 마를 구성하는 규산염 용융체와 매우 유사한 구조와 성질을 갖습니다. 이미 많은 광물학자/
지구 물질과학자들이 미국의 코닝 글래스 등과 같은 유리회사 /반도체 재료회사에 진출하여 새로운 조성의 특성유리들을 개발하고 있으며. 또한 광통신에 응용되는 광학재료들도 비정 질 지구물질과 유사성을 보이므로 이들의 구조를 파악하는 것이 물성을 이해하는데 필수적 입니다. 이와 관련하여 지구물질과학 연구실에서는 핸드폰의 발광소자에 관한 연구도 재료 공학부의 연구자들과 공동으로 수행하고 있습니다. 또한 비정질 재료들이 방사성 폐기물을 분리하여 저장하는 환경학적으로 매우 중요한 역할을 가집니다. 이들의 수용액서의 반응도 나 다른 압력조건에서의 구조 변화를 측정하여 이들이 열역학적인 조건의 변화에서의 안정 도를 예측/제어할 수 있는 중요한 공헌을 할 수 있습니다. 이외에도 신소재의 개발이나 나 노재료의 구조분석이라는 다양한 응용범위가 있습니다.
광물학/지구물질과학은 여러 다른 지질학이나 지구과학을 이해하는데 매우 주요한 공헌 을 함과 동시에, 다른 분야와도 매우 밀접한 관계를 갖습니다. 지구상의 거의 모든 물질을 지구물질이라 정의 할 수 있으므로, 이러한 물질의 근본적인 구조 및 성질을 연구하는 물리 -화학-생물 등과 많은 부분을 공유하고 있습니다. 연구실의 연구결과를 광물학이나 지구화 학/지구물리 분야뿐 아니라 일반과학 (Nature Materials, Proceedings of National Acamdemy of Science), 응집물리나 (Physical Review Letters), 물리화학, 또는 재료과학분 야의 최고권위 저널에 발표하여 이러한 분야의 발전에도 공헌하고 있습니다. 아래 그림은 서울대 지구물질과학 연구실원들이 제1 저자 (교신저자) 로 출판하는 다양한 국제학술지들 의 표지들로 현재 11곳의 국제 학술지에 결과를 보고하고 있습니다 (그림4).
Earth Sciences/Geology
1] Earth Materials Science/ Mineralogy:
American Mineralogists 2] Geochemistry:
Geochimica et Cosmochimica Acta, Chemical Geology 3] General Geology/Geophysics Geophysical Research Letters Physical Chemistry/
Materials Chemistry 1] Physical Chemistry:
Journal of Physical Chemistry B.
2] Materials Chemistry:
Chemistry of Materials General Science 1] Nature Materials, 2] Proceeding of National Academy of Science Physics//Materials Sciences 1] Physical Review Letters, 2] Physical Review B.
3] J. of Non-crystalline Solids, 4] CALPHAD
그림 4. 서울대 지구물질과학 연구실원들이 제1 저자 (교신저자) 로 출판하는 다양한 국제
학술지
광물학적/ 지질학적/환경학적/물리화학적 중요성을 갖는 여러 지구물질의 미시적의 원자, 혹은 분자단위의 정보가 이들의 거시적인 성질을 이해하고 이와 관련된 지구조적 과정을 설 명하고 예측할 수 있는가에 대한 몇 가지 예들을 현 국가지정 수행연구 과제를 중심으로 소 개하였습니다. 이러한 연구를 통하여 유리재료/ 광학재료/ 환경재료 등의 지구물질 소재 개 발에 중요한 파급효과를 가질 것으로 기대되며 또한 이들 외에도 지표면과 지각에서 일어나 는 복잡하고 다양한 자연계의 지질작용에 대한 알려지지 않은 많은 미시적인 해석이 규명되 어야 할 것이며 자연이 제시한 본질을 능동적/체계적으로 밝히고 이의 아름다움을 정량적으 로 설명할 수 있을 것입니다.
