겨우 200년 만에 시도 끝에 과학자들이 드디어 실험실에서 돌로마이트 광물을 성장시키는 데 성공했습니다. 이로써 '돌로마이트 문제'로 알려진 오랜 지질학적 수수께끼가 풀렸습니다. 미시건 대학교와 일본 삿포로의 홋카이도 대학교 연구진은 상세한 원자 시뮬레이션을 기반으로 한 새로운 이론을 개발하여 성공을 거두었습니다.
돌로마이트는 이탈리아의 돌로마이트 산맥, 나이아가라 폭포, 유타주의 후두스 같은 상징적인 장소에서 발견되는 흔한 광물입니다. 1억 년 이상 된 암석에는 풍부하게 존재하지만, 더 최근 환경에서는 거의 형성되지 않아 여러 세대에 걸쳐 과학자들의 고개를 갸우뚱하게 만들었습니다.
핵심적인 돌파구는 돌로마이트가 형성될 때 무엇이 방해하는지 이해하는 것이었습니다. 그 구조는 칼슘과 마그네슘의 교번층으로 이루어져 있지만, 성장 과정에서 이 원소들이 무작위로 부착되어 구조적 결함을 만들고, 이는 더 이상의 진행을 막습니다. 그 결함이 있는 속도로 단일의 잘 정렬된 층을 형성하는 데는 최대 1천만 년이 걸릴 수 있습니다.
연구진은 이러한 결함이 영구적이지 않다는 것을 깨달았습니다. 제자리를 벗어난 원자는 덜 안정적이고 물에 노출되면 용해될 가능성이 더 높습니다. 자연에서는 강우나 조수 변화 같은 주기가 이러한 결함 영역을 반복적으로 씻어냅니다. 시간이 지남에 따라 이는 표면을 깨끗하게 만들어 새로운, 적절하게 배열된 층이 형성될 수 있게 하여, 돌로마이트가 지질학적 영원이 아닌 지질학적 기간에 걸쳐 축적되도록 합니다.
이를 검증하기 위해 팀은 원자 상호작용을 모델링해야 했는데, 이는 일반적으로 엄청난 컴퓨팅 성능을 요구하는 작업입니다. 미시건 대학교 PRISMS 센터의 연구진은 이 도전을 단순화하는 소프트웨어를 개발했습니다. "각 원자 단계는 일반적으로 슈퍼컴퓨터에서 5,000 CPU 시간 이상이 소요됩니다. 이제 우리는 데스크톱에서 2밀리초 만에 동일한 계산을 할 수 있습니다,"라고 연구의 제1저자인 김준수는 말했습니다.
실험적 증거를 위해 홋카이도 대학교의 유키 키무라와 야마자키 토모야는 투과 전자 현미경을 비전통적인 방식으로 사용했습니다. 그들은 용액 속의 작은 결정에 2시간 동안 전자 빔을 4,000번 펄스로 조사하여, 빔이 물을 분리하고 산을 생성하는 능력을 이용해 결함이 형성되는 대로 용해시켰습니다. 결정은 약 100나노미터까지 성장했는데, 이는 약 300층의 돌로마이트를 나타내며, 이전 기록인 5층과는 거리가 멉니다.
이 고대의 미스터리를 해결하는 것은 현대적인 의미를 지닙니다. "우리의 이론은 성장 과정에서 주기적으로 결함을 용해시킨다면 결함 없는 재료를 빠르게 성장시킬 수 있음을 보여줍니다,"라고 교신저자인 선원하오는 말했습니다. 이 통찰력은 반도체, 태양전지 패널, 배터리 및 기타 기술의 생산을 개선할 수 있을 것입니다. 이 연구는 미국 화학회 PRF 신규 박사 연구자 보조금, 미국 에너지부, 일본 학술진흥회의 지원을 받았습니다.