광물학│암석학
226 2011 추계지질과학연합학술발표회 초록집
Structural Transitions in Alumina and Aluminate Melts:
Implication for Crystallization of Magma Ocean
류새봄
*․이성근
서울대학교 지구환경과학부, [email protected]
비정질 산화물의 상전이 과정에서 일어나는 원자 단위의 구조 변화에 대한 연구는 지구가 마그마 바다 상태에서 현재 모습을 갖추기까지의 진화과정에 관한 이해에 필수적이다. 하지만 다성분계의 자연계 용융체에 대한 원자구조 연구는 물론, 단성분계 비정질 산화물에 대한 연 구 역시 시료 합성 및 적합한 분광분석 방법론의 부재로 인하여 실험상에 한계가 있어왔다. 특 히, 비정질 산화알루미늄(Al
2O
3)은 비정질 규산염(SiO
2)과 더불어 지구시스템에서 매우 중요 한 단성분계 산화물임에도 불구하고, 유리질 형성능력이 현저히 떨어져 일반적인 용융체의 급 속-냉각을 통한 비정질 시료 합성이 불가능하다고 알려져 왔다. 하지만, 최근 비정질 Al
2O
3박 막 연구(e.g., Lee et al., 2009)를 통하여 간접적으로 유리질 Al
2O
3의 원자구조를 규명하였고, 이를 토대로 비정질 Al
2O
3의 원자구조에 관한 다양한 연구가 시도되고 있다.
본 연구에서는 알루미늄 유기 리간드의 수화를 이용한 졸겔법(Sol-gel method, Long Zhang and Hellmut Eckert, 2007)을 통해, 이전의 박막증착으로는 얻을 수 없었던 다량의 비정질 Al
2O
3를 합성하였다. 이를 바탕으로 결정화 단계 별 시료를 온도와 시간 조건에 따라 합성하 여, 결정화 과정에서 산화알루미늄의 원자 구조 변화를 규명하고자 하였다. 이는 물질의 상전 이를 수반한 다양한 지질학적 현상들을 이해하고 예측하는 데에 도움이 될 것이다. 시료의 합 성은 알루미늄 락테이트를 증류수에 용융시켜 가수분해를 유도하고 상온 건조와 450℃까지의 가열로 유기물과 물을 제거하는 응축과정을 통해 이루어졌다. 합성한 비정질 Al
2O
3를 600, 700, 800℃에서 1, 3, 5, 10, 30분, 2시간씩 가열을 통해 이완(relaxation) 시켜 결정화 단계별 시료를 준비하였다. 분석은 특정 원소 주변의 환경을 직접적으로 관찰할 수 있는 강력한 장점 을 지닌 고분해능 고상 핵자기 공명 분광 분석(solid-state Nuclear Magnetic Resonance)을 이 용하여 해당 물질 내 알루미늄(Al-27) 주변의 환경 정보를 알아보았다. Al-27 MAS NMR 분 석 결과 60, 35, 0 ppm 주변에서 각각 배위수 4, 5, 6의 알루미늄(
[4]Al,
[5]Al,
[6]Al)이 뚜렷하게 구분되어 관찰되었고, 온도를 높이고 시간을 늘려 가열할수록
[5]Al이 줄어들고
[4]Al,
[6]Al의 양이 점차 증가하는 것을 관찰할 수 있었다. 이 과정은
[5]Al 분율이 무질서도의 지표가 된다는 이전의 연구결과(Lee et al., 2010)에 비추어, 구조가 이완될수록 무질서도가 감소하며 준안정 상의 비정질 Al
2O
3가 안정한 상태의 결정질 물질로 전이된 것으로 해석된다.
이번 연구를 통해 비정질 산화물의 결정화가 1차 상전이와 같이 특정 온도나 압력에서 나타 나는 것이 아니라 점이적인 원자구조의 변화(local atomistic structural change)과정임을 동역 학적 변수에 따라 실험적으로 보였다. 단성분계 산화알루미늄의 구조변화를 밝힘으로써 다성 분계 알루미노규산염 용융체의 구조와 성질을 원자 단위에서 이해하고, 지구시스템의 화학적 진화에 관한 미시적 실마리를 제공할 수 있기를 기대한다.
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