초록 |
□ 연구개요 본 리더사업을 통해 지난 십 여 년 동안 구축해 온 압력을 변수로 한 광물 및 물질 연구의 범주와 인프라를 한 단계 확장하고 보다 전문적이고 국제적인 경쟁력을 갖춘 고압 과학 연구단을 설립한다. 초고압(대기압의 ~수백만 배, Mbar), 초고온(~5000K), 그리고 시간을 변수로 하는 다차원 극한환경 하에서의 물질연구를 통해 지구와 행성의 형성과 진화 과정을 이해하고, 이를 통해 새로운 물질 및 물성의 발견을 가속화하여 지구과학이 중심이 된 물리, 화학, 신소재 등 첨단 융합적 연구로서 고압 과학의 모델을 정립시킨다. □ 연구 목표대비 연구결과 본 연구단은 시료에 고압 환경을 조성할 수 있도록 특수 개발된 다이아몬드 앤빌 셀을 이용하여 지표에서 내부로 섭입하는 곳(섭입대)에 존재하는 층상 점토 광물의 초수화 현상을 발견한 연구(Hwang et al., Nature Geoscience 2017)를 시작으로 섭입대에 존재하는 다양한 광물질들과 휘발성 물질의 거동에 관한 연구를 수행하고 있다. 최근 관련분야 상위 저널에 다수의 연구 결과를 발표하였고 (Kong & Lee, Engineering 2019; Hwang et al., ACS Earth and Space Chemistry 2020), 3차년도까지 실험한 결과를 정리 중에 있다 (Hwang et al., under review, Nature communications; Bang et al., under review, Nature communications). 이들은 섭입대에서 발생하는 복잡한 지질학적 현상을 고압광물물리 분야로 접근하여, 지구물질 순환과 그 역할에 관한 중요한 연결고리를 보고한 결과들이다. 특히, 과거에는 암석단위에서 지질학적 현상이 발현되고 난 뒤에 이를 검중하는 연구가 주를 이루었다면, 본 연구단에서는 새롭게 해양지각, 섭입대를 주로 구성하는 광물들에 대한 결정구조 단위에서 일어나는 실시간 현상을 관찰함으로써, 현재까지 다루어지지 않은 새로운 분야를 개척했다고 볼 수 있다. 이는 고압광물물리 분야뿐만 아니라 지진학, 화산학, 지구물리학, 지구화학 등의 다양한 지질학 분야에 중요한 정보를 제공할 것이며, 따라서 세계적으로 경쟁력 있는 고압연구단으로 연구역량이 향상될 것으로 예상된다. 또한, 맨틀-핵 경계부에 이르는 영역으로 압력 및 온도 조건을 확장하여 지구 및 거대 행성의 심부를 이해하는 연구를 수행하였다. 이는 국내에서는 수행할 수 없었던 연구방법론이며 해외 고압전용 연구 시설의 활용과 공동연구를 통해 수행할 수 있었다. 이를 통하여 기존에 논란이 많았던 주제에 대해, 창의적인 방법으로 접근한 결과를 발표하였고, 3차년도까지 실험한 결과들이 현재 논문으로 게재되었거나 진행 중에 있다 (Kim et al., Geophysical Research Letters 2020; Kim et al., under review, Nature Astronomy; Kim et al., in preparation). 또한 본 단계 동안 동적 환경으로의 연구기법 확장을 통해 레이저 충격 상황에서의 동역학적 압축 거동을 국내 최첨단 연구시설(PAL-XFEL)을 활용함으로써 규명하였고, 철 및 철과 관련된 물질들에 대해 기존에 관찰하지 못했던 현상을 보고하였다 (Hwang et al., Science Advances 2020; Pace et al., Journal of Physical Chemistry Letters 2020; Lee et al., in preparation). 이는 기초적인 물질에 대한 심도 있는 물리화학적 특성을 이해할 수 있는 새로운 방법론을 제시한 것이며, 이를 바탕으로 고압분야 대표적인 해외 연구팀들과의 거대 공동연구로 확장 중에 있다. 아울러 산업적으로 활용가치가 높은 다공성 물질(ZIF, COF 등), 2차원 페로브스카이트, 실리콘 등에 대한 압력 실험을 진행하였고, 다수의 논문을 발표하였다 (대표적인 성과: Hwang et al., Nature Communications 2018; Choi et al., Journal of Physical Chemistry C 2019; Shen et al., Journal of Physical Chemistry Letters 2020). 현 1단계까지의 종합적인 연구 성과를 살펴보면, 상당수의 게재된 논문이 상위 SCI 저널에 발표되었으며, 이는 단순히 새로운 내용들로 주목 받은 것뿐만 아니라 고압광물물리 및 지질학 분야에서 추가적으로 심도, 확장된 연구 분야를 제시한 것으로 판단된다. □ 연구발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) 본 과제에서 제안한 초고압(>100 GPa) 및 초고온(>5000K) 환경 구현 및 광물-물질 연구는 그 자체만으로 국내에서 최초로 시도되는 주제이며, 성공적으로 수행될 경우 기존의 과학 및 기술 개발의 범주를 뛰어넘는 돌파구(breakthrough) 과학으로서 큰 사회적 임팩트를 가져올 것이다. 본 과제에서 추진되는 가벼운 성분과 광물과의 고온고압 반응 연구의 정적 환경 고압 실험 및 운석 충돌 환경의 동적 고압 실험은 전 세계적으로도 시도된 바 없는 탐색적 주제이다. 성공적으로 수행될 경우 지구와 행성의 형성 및 진화 과정에 대한 새로운 모델을 제시하여 국민의 기초과학에 대한 관심과 자긍심 고취에 큰 역할을 할 것으로 기대된다. 본 연구 사업을 통해 압력을 변수로 한 다공성 물질 활용의 새로운 패러다임을 제시하고, 전지구적 환경 복원, 새로운 에너지 저장 물질 개발, 새로운 기능성 나노복합물 제조 등의 분야에서 신개념 원천기술의 기초를 제공할 것으로 기대된다. (출처 : 연구결과 요약문 2p) |