【브레이크뉴스 경북 포항】이성현 기자=POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 연구팀은 북경고등고압연구소(High Pressure Science and Technology Advanced Research, 이하 HPSTAR) 연구팀과 공동연구를 통해 지구 내부 맨틀 조건에 존재하는 수소 광물 산화철(FeOOH)이 얼음 행성의 얼음과 비슷한 초이온적 상태로 존재한다는 것을 발견했다고 17일 밝혔다.

▲ 지구맨틀 구조ⒸQingyagn Hujpg  © POSTECH

초이온 상태에서는 수소가 산소로부터 방출되어 액체처럼 되고 고체 산소 격자 안에서 자유롭게 움직인다. 이 결과는 네이처 지오사이언스(Nature Geosciences)에 게재됐다.

지구는 표면의 3/4이 물로 덮여 있지만, 깊은 내부에는 순수상태의 물이나 얼음이 거의 없다. 대신 수소 광물(hydrous minerals)이 존재하는 것으로 알려져 있다.

연구팀은 약 1700°C 이상, 정상 기압의 80만 배 이상의 조건을 가진 지구 내부에서 최근 연구팀에 의해 발견된 수소 광물 중 하나인 FeOOH의 상태를 검증했다.

그 결과, 수산기 분자(hydroxyl)가 상온에서 73기가파스칼(GPa) 압력에 도달하면, 결합구조가 약해져 양이온 수소(양성자)가 결정구조의 위치로부터 퍼짐현상을 보이는 것을 발견했다. 또한, 온도를 증가시키면 양성자의 퍼짐현상이 고체 전체로 증가해 전기전도도가 증가했다. 이때, FeO2 구조는 유지한 채 양성자만 자유로이 움직이는 초이온 상태, 즉 “고체로 흐르는 강”이 있는 것이다.

이처럼 지구 내부에 초이온 상태가 존재한다는 것은 지구의 맨틀 대류 속도가 지금까지 알려진 것보다 더 빠를 수 있음을 시사한다. 강과 비슷하게, 빠르게 움직이는 수소는 열과 질량을 운반함으로써 지구 내부의 물질 수송, 전기전도도, 자성 등 지구의 전체적인 특징을 바꿔 놓을 수 있다.단단한 지구는 지금까지 생각했던 것보다 더 역동적일 수 있다는 것을 보여준다.

한편, HPSTAR에서 POSTECH 방문교수로 재직 중인 김덕영 교수와 장보규 박사(POSTECH 졸업), POSTECH 화학과 심지훈 교수 등이 참여한 이 연구는 한국연구재단 해외고급과학자초빙사업의 지원으로 수행됐다.

<아래는 구글번역기로 번역한 기사 전문이다.>

 The proton river flows deep into the earth.

【Brake News, Pohang, Gyeongsangbuk-do】 Reporter Seong-Hyun Lee = POSTECH (Pohang University of Science and Technology, President Moo-Hwan Kim) research team has collaborated with Beijing High Pressure Science and Technology Advanced Research (HPSTAR) research team to It was discovered on the 17th that the mineral iron oxide (FeOOH) exists in a superionic state similar to that of ice on an ice planet.

In the superionic state, hydrogen is released from oxygen, becomes liquid and moves freely within the solid oxygen lattice. The results were published in Nature Geosciences.

Earth is covered with water on three-quarters of its surface, but deep inside there is little pure water or ice. Instead, hydrogen minerals are known to exist.

The research team verified the state of FeOOH, one of the hydrogen minerals recently discovered by the research team, inside the Earth with conditions above about 1700°C and more than 800,000 times normal atmospheric pressure.

As a result, it was found that when the hydroxyl molecule (hydroxyl) reached a pressure of 73 gigapascals (GPa) at room temperature, the bonding structure weakened and cationic hydrogen (proton) spread from the position of the crystal structure. In addition, as the temperature increased, the spreading phenomenon of protons increased throughout the solid, resulting in an increase in electrical conductivity. At this time, there is a superionic state in which only protons move freely while maintaining the FeO2 structure, that is, “a river flowing as a solid”.

The existence of such a superionic state inside the Earth suggests that the Earth's mantle convection rate may be faster than previously known. Similar to rivers, fast-moving hydrogen can change the overall characteristics of the Earth, such as material transport, electrical conductivity, and magnetism, by carrying heat and mass, showing that a rigid Earth can be more dynamic than previously thought.

On the other hand, this research, in which Prof. Deok-Young Kim, Dr. Bo-Gyu Jang (POSTECH graduate), and Professor Ji-Hoon Shim of the Department of Chemistry at HPSTAR, who are visiting professors at POSTECH, participated, was carried out with the support of the Korea Research Foundation's Overseas Advanced Scientist Invitation Project.