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- 고압 실험에서 그들은 처음으로 이러한 충격 구조의 형성을 슬로우 모션으로 추적
- 이전에 알려지지 않은 전이 구조를 발견. 60년 만에 미스터리 해결

임팩트 표시: 60년 된 미스터리 풀림
고압 실험은 충격 석영에서 전형적인 유리 라멜라의 형성을 명확히 한다.

크리스탈의 충격 흔적:
소행성이 충돌하면 고에너지 충격파가 석영 광물에 전형적인 층상 변화를 남긴다. 연구원들이 석영 크리스탈에서 이러한 유리와 같은 라멜라가 어떻게 형성되는지를 밝히는 것은 최근에야 이루어졌다. 고압 실험에서 그들은 처음으로 이러한 충격 구조의 형성을 슬로우 모션으로 추적할 수 있었고 이전에 알려지지 않은 전이 구조를 발견했다. 감압 중에 무정형 라멜라 가스가 형성되는 것은 이 고압 결정에서만 가능하다. 

▲ 소행성 충돌로 인한 엄청난 충격파는 광물의 결정 구조에 흔적을 남긴다. 연구원들은 이제 석영 입자에서 비정질 유리의 작은 라멜라가 어떻게 형성되는지 설명했다. © NASA/ Don Davis

칙술루브(Chicxulub), 퉁구스카(Tunguska) 또는 뇌르딩거 리스(Nördlinger Ries):

역사의 과정에서 지구는 종종 소행성과 운석에 맞았다. 그러나 몇 개의 충돌 크레이터만이 살아남았으며, 대부분 침식, 풍화 및 판 이동으로 인해 이러한 사건의 모든 흔적이 지워진 지 오래되었다. 따라서 과거의 영향을 확인하기 위해 과학자들은 종종 새로운 광물, 응고된 암석 유리 또는 충격 석영과 같은 광물 증거를 사용한다.

충격 석영의 라멜라의 신비

충격파로 왜곡된 석영은 이산화규소의 정상적인 결정 구조가 무정형의 유리와 같은 형태로 변형된 미세한 라멜라를 특징으로 한다. 독일 함부르크 전자 싱크로트론(DESY)의 공동 저자인 Peter Liermann은 "60년 이상 동안 이 라멜라 유리는 소행성 충돌의 지표로 사용되었지만 지금까지 아무도 이 구조가 처음에 어떻게 생성되었는지 알지 못했다"고 말했다.

일부 과학자들은 유리판이 충격파에 의해 규산염이 압축된 결과로 직접 형성되었다고 가정하는 반면, 다른 과학자들은 유리판이 압력이 해제된 후에야 형성되는 구조라고 생각했다. 더 명확히 알기 위해 Liermann과 Jena 대학의 첫 번째 저자인 Christoph Otzen이 이끄는 팀은 이제 실험실에서 소행성 충돌을 시뮬레이션하고 슬로우 모션으로 실행했다.

이를 위해 연구원들은 다이아몬드 앤빌 셀에서 최대 26GPa(기가파스칼)의 압력에 이산화규소의 작은 웨이퍼를 노출하고 동시에 DESY의 X선 소스 PETRA III에서 나오는 고도로 집중된 X선 빛으로 웨이퍼를 조명했다. Liermann은 "비결은 시뮬레이션된 소행성 충돌이 X-레이 조명에서 추적할 수 있을 만큼 충분히 느리지만 소행성 충돌의 전형적인 효과가 여전히 발생할 수 있을 만큼 충분히 빠르게 발생하도록 하는 것"이라고 설명했다.

▲ 충돌로 인한 충격파는 전자현미경에서만 볼 수 있는 수십 나노미터 너비의 석영 결정에 작은 유리 라멜라를 생성한다. © Falko Langenhorst, Christoph Otzen/ University of Jena

새로운 고압 중간 형태

고압 실험에서 놀라운 사실이 드러났다. "약 18만 기압의 압력에서 석영 구조가 갑자기 더 밀집된 전이 구조로 변하는 것을 관찰할 수 있었다"고 Otzen은 보고했다. "이 결정 구조에서 석영은 부피의 3분의 1로 수축했다." 이것은 결정 격자의 원자가 연구자들이 로지아라이트 구조로 확인한 새롭고 더 조밀한 배열로 재배열되기 때문에 발생한다.

이 고압 결정 형태에서는 서로 다르게 연결된 실리콘 원자의 층이 서로 번갈아 가며 나타난다. "압력이 높아질수록 석영에서 장미석 같은 구조의 비율이 커진다"고 Otzen은 설명했다. 그러나 결정적인 요인은 "압력을 다시 해제하면 로지아이트와 같은 라멜라가 석영의 원래 구조로 다시 바뀌지 않고 오히려 무질서한 구조의 유리 라멜라로 붕괴된다.“

감압 시에만 유리 핀

따라서 실험은 충격 석영의 유리질 라멜라가 15기가파스칼 이상의 압력에서만 안정적으로 유지되는 로지아라이트 구조를 가진 준안정 중간 형태를 통해 형성된다는 것을 증명한다. 후속 감압 중에 이 결정 구조가 붕괴되어 무정형 라멜라가 된다. 라멜라의 양과 방향을 통해 충격 시 압력에 대한 결론을 도출할 수 있다.

▲ 이 평면의 방향은 그림 1c에서 동일한 색상으로 표시된 회절 피크의 인덱싱에서 추론되었다. (출처: 관련논문 Published: 04 February 2023 / Evidence for a rosiaite-structured high-pressure silica phase and its relation to lamellar amorphization in quartz)

이 결과는 60년 동안 논의되어 온 충격의 전형적인 라멜라 구조가 충격 석영에서 어떻게 발달하는지에 대한 논쟁을 명확히 한다. Liermann은 “우리는 이제 이 수십 년 된 수수께끼를 풀었다. 이것은 과거 영향의 흔적을 더 잘 이해하는 데 도움이 되며 또한 의미가 있을 수 있다. "우리가 관찰한 것은 얼음과 같은 완전히 다른 재료에서 유리 형성에 대한 모델 연구일 수 있다"고 Otzen의 동료인 Falco Langenhorst는 말했다.

"결정 구조가 빠른 압축 동안 중간 단계에서 준안정상으로 변환된 다음 무질서한 유리 구조로 변환되는 전형적인 방식일 수 있다"며" 재료 연구에 매우 중요하기 때문에 이를 더 조사하고 싶다"고 말했다.
(Nature Communications, 2023; doi: 10.1038/s41467-023-36320-7)
출처: 독일 전자 싱크로트론 DESY, Friedrich Schiller University Jena

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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