<사진. 연구자들이 개발한 기기의 모습
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

지구의 화학반응을 수집할 수 있는 기기의 개발

일련의 연구자들이 지국의 지각(crust)에서 발생하는 화학반응을 연구할 수 있는 새로운 방법을 찾아내는데 성공했다. 한 국제 연구팀에 의해 개발된 이 방법은 지질학자들로 하여금 엄청나게 깊은 지구의 지각에서 어떠한 화학적인 작용들이 일어나는지를 알 수 있게 한다. 이 기구는 고압에서 화학 반응을 연구하기 위해 이용되며 이와 관련된 실험 내용은 저명한 과학지인 Angewandte Chemie지에 게재되었다.

자기공명이미지장치(nuclear magnetic resonance measurements (NMR))를 이용해 연구자들은 고압의 상황에서 이전보다 더 정밀한 방법으로 화학 반응을 연구할 수 있게 한다. 일종의 NMR 탐지기의 헤드 부분에 해당하는 이 장치는 피스톤 실린더 압력 셀(piston-cylinder pressure cell) 내의 압력 부위 액체에 담겨져 있는 작은 압축 가능 샘플 셀(compressible sample cell) 주위를 둘러싼 라디오주파수 코일을 포함하고 있다. 그 샘플을 라디오파(radio wave)로 여기시킨 후 이들이 어떻게 정상상태로 돌아가는지를 관찰하는 것은 연구자들로 하여금 내부에서 어떤 일들이 일어나는지를 알아낼 수 있게 만든다.

이번 연구를 수행했던 연구자 중의 한 명인 모나쉬대(Monash University)의 C. Andre Ohlin 박사는 이 기기가 매우 높은 압력 하에서 진행되는 화학 반응을 자세히 관찰할 수 있게 해 준다고 설명했다. 그는 또한 "지질학자들은 지구 지각 깊은 곳에서 일어나는 화학 반응이 표면으로 올라오는 물과 미네랄에 영향을 줄 수 있음을 잘 알고 있다. 하지만 우리는 지금까지 이들을 정확하게 측정하는 방법을 알지 못하고 있었다. 우리가 만들어낸 새로운 기기가 이를 변화시켰다. 우리는 이제 높은 압력 하에서 이 기기를 이용함으로써 지구의 지각에서 일어나는 일들을 정확하게 파악할 수 있다"고 말했다.

이 장치는 20,000기압의 상황에서 일어나는 화학 반응을 측정할 수 있도록 설계되었다. 또한 연구자들은 이 기기가 오랜 시간 동안 묻혀 있어 왔던 핵 폐기물의 움직임이나 수압파쇄법(hydraulic fracturing)*에 관여하는 화학적인 과정을 밝히는데도 도움이 될 수 있을 것이라고 말했다.

이에 대해 Ohlin 박사는 "다이아몬드-앤빌(anvil) 셀을 이용해 이와 같은 압력 하에서 이러한 분석을 실시하는 많은 방법들이 있지만 이 경우는 작은 양의 시료만 분석이 가능하다. 또한 이들을 이용해 보다 정밀한 분석이 필요한 보론, 알루미늄, 실리콘과 같은 원자들이 포함된 반응을 분석하는 것은 어렵다. 우리의 기기는 높은 압력에서도 뛰어난 해상도와 민감도를 지니고 있기 때문에 이러한 물질들의 분석에 매우 적합하다. 이를 통해서 우리는 미네랄들이 형성되는 과정을 알아낼 수 있을 것"이라고 말했다. 이에 대한 보다 자세한 연구 결과는 [Pautler, B. G., Colla, C. A., Johnson, R. L., Klavins, P., Harley, S. J., Ohlin, C. A., Sverjensky, D. A., Walton, J. H. and Casey, W. H. (2014), "A High-Pressure NMR Probe for Aqueous Geochemistry." Angew. Chem. Int. Ed.. DOI: 10.1002/anie.201406751]를 참고하기 바란다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』  http://mirian.kisti.re.kr