지구상의 물질은 원자단위의 배열의 규칙성의 여부에 따라 규칙적인 단위가 반복되는 결정질과, 규칙적으로 원자가 배열되지 않고, 무질서도를 가지는 비정질(예, 유리, 마그마 용융체)로 구분됩니다.
결정질은 압력이 증가함에 따라, 특정압력에서 밀도가 높은 원자구조를 가지는 상으로 급격히 전이합니다. 이에 비하여, 비정질은 특정압력이 아니라, 넓은 압력범위에서 점이적으로 변하는 것으로 예상되며, 특히 백만기압 [대기압의 100만배의 압력, 메가바(megabar), 혹은 100 기가파스칼(GPa)]이상의 극한적인 고압환경에서 비정질의 원자구조는 1기압이나, 상대적으로 낮은 압력범위 (예, 수만기압에서 50-60만기압)이하에서의 비정질의 구조와 매우 다를 것으로 추정됩니다. 지구나 행성 내부에서의 마그마 융융체도 비정질이며, 특히 지구의 외핵과 맨틀의 경계 (~120-130 만기압)에서 마그마가 존재할 것으로 추정되므로 핵-맨틀경계를 이해하기 위해 극한고압에서의 비정질의 원자구조의 규명이 필수적입니다.
이러한 중요성에도 불구하고, 비정질 고유의 무질서도와 적절한 실험 방법의 부재로 비정질 산화물의 백만 기압이상의 압력에서의 원자구조를 규명하는 것이 현대과학이 찾아야할 ‘성배’로 간주되고 있습니다.
서울대학교의 자연과학대학 지구환경과학부 이성근 교수 연구팀은 미국 카네기재단 연구팀과 공동으로, 지구상에 존재하는 산화물(산소화합물) 중 상온에서 가장 가볍고 간단한 조성의 비정질 산화물인 보래이트로(B2O3)의 비탄성 x-선 산란 시그날을 백만기압 이상의 극한환경에서 최초로 획득하였습니다.
120만 기압의 극한압력조건에서 원자들이 치밀하게 재배열을 겪는 과정에서 산소간의 거리가 저압조건에 비하여 급격하게 감소함에도 불구하고, 20만기압 에서 형성된 [4]B(배위수가 4인 보론)가 극한환경에서도 안정한 것을 밝혀냈습니다. 이러한 결과는 다른 비정질 산화물(예, SiO2나 GeO2)의 압력에 따른 거동과 매우 다른 것으로, 1기압에서 실리콘(Si)이나 게르마늄(Ge)주변의 배위수가 4이고, 압력의 증가에 따라, 배위수가 5, 6인 구조가 점이적으로 형성되며, 120만기압 이상에서는 배위수가 7인 구조들이 형성되는 것과 대비됩니다. 이로부터, 비정질 산화물을 구성하는 원자의 원자반지름이 작을 경우, 더 높은 압력에서 배위수가 전이되는 것을 실험적으로 검증하여, 극한고압환경에서 원소들의 다양한 배위수 변화를 최초로 체계적으로 정립하였습니다.
본 연구결과는 백만기압 이상의 극한환경에서 결합구조를 변화를 비탄성 산란을 이용하여 규명한 최초의 연구결과이며 지구의 맨틀과 핵의 경계의 극한고압환경 마그마 용융체의 고밀도화의 원자단위의 기원을 제공하며, 이러한 결과들로부터 지구의 하부 맨틀이나, 다른 거대지구(super-earth)의 극한압력 상태에서의 다성분계 비정질 마그마의 원자구조-물성 변화를 설명할 수 있을 것으로 기대합니다.