고려대, 초고압 광물 변화에 ‘시간’ 영향 확인

김동훈 교수팀, 수백만 기압 충격 실험서 구조 관찰

압력 지속 시간 짧으면 변화 억제…행성 연구에 단서

광물에 아무리 강한 압력을 가해도 그 시간이 짧으면 구조가 바뀌지 않을 수 있다는 연구 결과가 나왔다. 광물의 변화는 압력의 크기뿐 아니라 압력이 얼마나 오래 지속되는지에 따라서도 달라진다는 것이다. 이번 연구는 지구 내부와 행성 충돌 과정에서 일어나는 물질의 변화를 이해하는 데 도움이 될 것으로 기대된다.

고려대학교(총장 김동원)는 지구환경과학과 김동훈 교수 연구팀이 미국 카네기과학연구소와 공동으로 초고압 환경에서 광물의 구조 변화를 관찰해 이 같은 사실을 확인했다고 11일 밝혔다.

지구 깊은 곳이나 거대한 운석이 충돌하는 환경에서는 광물이 매우 높은 압력과 온도에 노출된다. 일반적으로 광물에 강한 압력이 가해지면 내부 원자들의 배열이 바뀌면서 새로운 구조가 만들어진다. 하지만 압력이 순간적으로 가해질 때도 같은 변화가 일어나는지는 명확하지 않았다.

연구팀은 지구와 행성 내부의 높은 압력에서 형성되는 브리지마나이트와 아키모토아이트라는 두 광물을 실험했다. 두 광물은 구성 성분은 같지만 내부 원자들의 배열이 다르다.

미국 아르곤국립연구소의 연구시설에서 두 광물에 강력한 레이저 충격파를 가한 뒤 엑스선(X선)으로 내부 구조의 변화를 관찰했다.

실험 결과 브리지마나이트는 약 270만 기압, 아키모토아이트는 약 90만~110만 기압에서도 기존 구조를 유지했다. 두 광물 모두 구조가 바뀔 것으로 예상되는 압력을 크게 넘어섰지만 실제로는 변화하지 않은 것이다.

연구팀은 그 이유를 압력이 가해진 시간에서 찾았다. 광물 내부의 원자들이 새로운 배열로 이동하려면 일정한 시간이 필요한데, 실험에서는 높은 압력이 약 10나노초(1억분의 1초) 동안만 지속됐다. 원자들이 구조를 바꿀 시간이 부족해 기존 상태를 유지한 것으로 분석했다.

이번 결과는 광물의 변화를 예측할 때 압력과 온도만으로는 충분하지 않다는 점을 보여준다. 같은 광물이라도 압력이 지속되는 시간에 따라 서로 다른 구조를 유지할 수 있기 때문이다.

연구팀은 이러한 발견이 지구와 암석으로 이뤄진 외계행성의 내부 구조를 이해하고, 거대한 천체가 충돌할 때 물질이 어떻게 변화하는지 분석하는 데 활용될 것으로 기대했다.

김 교수는 “압력이 아무리 높아도 지속 시간이 충분하지 않으면 광물이 예상되는 고압 구조로 즉시 변하지 않을 수 있다는 사실을 직접 보여준 결과”라며 “지구뿐 아니라 암석형 외계행성의 내부와 행성 충돌 과정을 이해하는 데 중요한 단서를 제공한다”고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단 등의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 9월 18일 온라인 게재됐다.