Abstract
The atomic-nano scale structures of multi-component aluminosilicate glasses have not been well understood in spite of its implications fur dynamics and generation of magma in the natural system due to lack of suitable spectroscopic and scattering experiments. Here, we report O-17 MAS and isotropic projection of 3QMAS NMR spectra for quaternary Na-Ca silicate glasses $[(CaO)_x(Na_2O)_{1-x}]\;(A1_2O_3)_{0.5}(SiO_2)_6,\;CNAS)$ at 14.1 Tesla where atomic configurations around bridging oxygen (Si-O-Si, Si-O-Al) and non bridging oxygen (Na-O-Si, Ca-O-Si, (Na, Ca)-O-Si) are partially resolved. With increasing Na content, the fraction of Na-O-Si increases while those for bridging oxygens remain constant. The Na/Ca ratio apparently affects the peak widths of bridging oxygen peaks (e.g., Si-O-Si)) and thus the topological entropy as well as chemical shifts of the bridging oxygen peaks, implying that both BOs and NBOs are strongly interacting with network modifying cations The effect of cation field strength on the degree of Al-avoidance was also discussed.
자연계에 존재하는 다양한 지구물질의 조성은 여러 성분들로 구성된 다성분계이므로 자연계의 현상을 이해하기 위해서는 이러한 다성분계 지구물질의 구조를 규명하는 것이 필수적이다. 이러한 중요성에도 불구하고 다성분계 비정질의 자세한 원자-나노 구조는 비정질 자체가 갖고 있는 여러 가지고유의 무질서도 등으로 인하여 최근까지도 정확히 알려지지 않았다. 본 연구에서는 일차원 O-17 MAS와 이차원 3QMAS NMR을 이용하여, 다성분계 비정질인 Ca-Na 알루미노규산염 $[(CaO)_x(Na_2O)_{1-x}]\;(A1_2O_3)_{0.5}(SiO_2)_6.\;CNAS)$의 자세한 원자단위의 조성에 따른 변화를 보고한다. 비정질 CNAS의 비연결 산소 (non-bridging oxygen, NBO) 중 Ca-NBO는 Na/Ca 비율이 증가함에 따라서 (Ca, Na)-NBO를 형성한다. 이는 비정질 CNAS 내에서 비연결산소와 Ca와 Na 간에 강한 상호작용이 있음을 지시한다. 연결산소인 경우(bridging oxygen, BO, Si-O-Si나 Si-O-Al)의 경우에도 Na/Ca 비율에 따라, 감소의 폭이 비연결 산소보다는 상대적으로 작지만 화학차폐(NMR chemical shift)가 선형적으로 감소한다. 비정질 규산염의 연결산소의 결합각과 결합길이의 분포에 의해 결정되는 위상무질서도(topological disorder)는 Ca 함량이 증가할수록 비선형적으로 증가한다. 이러한 결과들은 비정질 CNAS의 구조가 기존에 알려진 데로 비연결산소만이 Na와 Ca 같은 구조교란양이온(network modifying cation)에 의해 많은 영향을 받는 것이 아니라 연결산소도 이들 양이온에 의하여 영향을 받음을 지시한다 이에 따라 다양한 양이온세기가 비정질의 무질서도에 미치는 영향을 정리하였다.
