다이아몬드 형성에 전기장의 영향 새롭게 밝혀져

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-01-25 10:37:01
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- 낮은 전압도 맨틀에서 탄산염을 탄소로 전환시켜, 1볼트 전압으로도 충분
- 다양한 천연 다이아몬드 형성에 전기장도 한가지 요인으로 확인됨

다이아몬드 : 전기장도 형성의 한가지 원인
전기장은 지구의 맨틀에서 다이아몬드 형성을 촉진 할 수 있다


심해의 전압 :
최근 고압 실험에서 알 수 있듯이 전기장의 영향으로 많은 다이아몬드가 형성될 수 있다.
낮은 전압조차도 탄산염을 탄소로 줄이는 데 도움이 될 수 있으며 압력과 열을 받으면 다이아몬드가 된다. 연구자들이 "Science Advances" 저널에 보고한 바에 따르면, 실험에서 결정 모양, 질소 함량 및 동위 원소가 가장 일반적인 천연 다이아몬드 유형과 일치하는 다이아몬드가 만들어졌다. 

▲ 지구의 맨틀에서 다이아몬드 형성을 유발하는 요인은 부분적으로 만 밝혀졌다. Author: Ptukhina Natasha


다이아몬드는 탄소 원자가 고압과 열로 압축되어 특히 조밀한 결정 구조를 형성할 때 만들어진다. 일반적으로 알려진 것은, 이것은 약 150~200km 깊이의 지구 맨틀에서 발생한다. 특히 크고 순수한 보석과 Hope 다이아몬드와 같은 파란색 다이아몬드는 더 깊은 곳에 기원을 두고 있다.

다이아몬드 형성이 어떻게 세부적으로 작동하고 어떤 요소가 역할을 하는지는 지금까지 기초적으로만 명확했다. 어떤 경우에는 pH 값의 변화가 중요한 역할을 할 수 있으며, 다른 경우에는 암석 기공의 액체 금속이 결정 형성을 선호한다. 그러나 놀랍게도 열과 압력이 거의 없이 잠긴 바다 지각에서 만들어진 보석도 있다.

감소 보조 수단으로서의 전기장

최근 연구자들은 다이아몬드 형성을 촉진하는 또 하나의 요인인 전기장을 확인했다.
노보시비르스크 주립 대학(Novosibirsk State University)의 유리 팔랴노브(Yuri Palyanov)와 동료들은 “우리의 연구는 지구 맨틀의 다이아몬드 형성이 맨틀 용융물과 유체의 높은 전도도에 의해 가능해진 전기 화학적 과정에 기반을 두고 있다는 가설에 기초를 두고 있다”고 말했다.

예를 들어, 탄산염이 먼저 탄소로 전환된 다음 다이아몬드로 바뀔 수 있도록 이러한 출발 화합물을 줄여야 한다. 이러한 산화 환원 반응을 위해서는 적절한 반응 파트너가 전달할 수 있거나 맨틀 암석의 약한 전기장에서 나올 수 있는 추가 전자가 필요하다.
연구자들의 계산에 따르면 1볼트(V) 미만의 전압이면 충분할 수 있다.

탄산염에서 다이아몬드까지

이것이 실제로 작동하는지 확인하기 위해 Palyanov와 그의 팀은 지구 맨틀을 실험실로 가져 왔다. 그들은 시작 물질인 탄산염 또는 탄산 규산염 분말을 두 개의 전극을 가진 겨우 몇 입방밀리미터(㎣) 크기의 백금 캡슐에 채운다.
이 캡슐은 섭씨 1천300도에서 1천600도까지 가열되고 최대 7.5GPa(기가 파스칼)의 압력으로 고압 프레스로 압축된다. 테스트 실행에 따라 연구원은 전압을 적용하지 않거나 0.4~1V(볼트)를 적용했다.

분명한 차이가 있었다.
전압이 가해지면 몇 시간 후에 탄산염 용융물에서 작은 다이아몬드 결정이 성장했다.
최대 200㎛(마이크로미터) 크기의 이 원석은 다이아몬드와 같은 전형적인 팔면체 모양을 가졌으며 연구자들이 발견했듯이 천연 다이아몬드 근처에서 흔히 발견되는 다른 광물로 둘러싸여 있었다.

전기 없이는 달랐다.
"동일한 초기 구성을 가진 제어 실험에서 전기장이 없으면 흑연도 다이아몬드도 형성되지 않았다"고 Palyanov와 그의 동료는 보고했다. 

▲ 고압 및 낮은 전압에서 생산되는 다이아몬드. © Yuliya Bataleva

천연 Type-Ia-다이아몬드와 같은 특징

더욱 상세한 분석으로 이 실험에서 생성된 다이아몬드가 자연 모델과 일치한다는 것을 확인했다. "8면체 형태, 상대적으로 높은 외부 질소 원자 함량 및 실리케이트 탄산염의 함유물 존재를 포함해 우리가 합성하는 다이아몬드의 일부 특징은 천연형-Ia-다이아몬드에서도 흔함을 발견했다"고 설명했다. 세계 시장에 나와 있는 다이아몬드의 95% 이상이 이러한 유형이다.

흥미로운 점은 전압이 걸린 환경에서 합성된 다이아몬드는 천연 보석과 유사한 동위 원소 구성을 보여준다. Palyanov와 그의 팀은 "그들은 탄산염과 탄산 규산염 용융물보다 탄소13의 비율이 낮다"고 보고했다. 그들은 Geo ForschungsZentrum Potsdam (GFZ)의 2차 이온 질량 분석기에서 이것을 결정했다.

GFZ의 공동 저자 미샤엘 비덴벡(Michael Wiedenbeck)은 “이 이론을 확인하기 위해 퍼즐의 마지막 조각을 가져왔다”고 말한다. “우리는 탄소 동위 원소 C13과 C12의 비율이 예측된 값과 정확히 일치함을 보여주었다."

다양한 메커니즘 및 트리거
과학자들에 따르면, 그들의 결과는 전기장이 자연조건에서도 다이아몬드 형성을 촉진 할 수 있음을 시사한다. Palyanov는 "우리의 결과는 전기장이 다이아몬드의 결정화에 영향을 미치는 중요한 추가 요소로 고려돼야 한다는 것을 분명히 보여 준다"고 말했다.

테스트는 다이아몬드가 매우 다른 기원과 생성과정으로 거슬러 돌아갈 수 있음을 확인했다.
"천연 다이아몬드의 형태, 내포물, 나이, 원산지의 암석학 및 지역 학적 환경 측면에서 천연 다이아몬드의 엄청난 다양성을 고려할 때 다양한 메커니즘이 형성에 책임이 있다는 것은 당연하다"고 학자들은 설명했다.
(Science Advances, 2021; doi : 10.1126 / sciadv.abb4644)

출처 : Helmholtz Center Potsdam-GFZ German Research Center for Geosciences

[더사이언스플러스=문광주 기자] "no science, no future"

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