• 한국광물학회지
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• 제32권3호
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• pp.151-162
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• 2019

토도로카이트(todorokite)는 $3{\times}3$ 망간 팔면체로 이루어진 상대적으로 큰 나노공극(nanopore)을 가지는 터널구조의 산화망간광물로 나노공극에 다양한 양이온 함유가 가능하기 때문에 금속이온 거동에 큰 역할을 할 수 있다. 주로 결정도가 낮고 다른 산화망간광물들과 함께 집합체로 발견되어 나노 공극 내부 양이온의 배위(coordination)구조는 실험만으로 여전히 규명하기 매우 어렵다. 이번 논문에서는 고전분자동력학(classical molecular dynamics, MD) 시뮬레이션을 이용하여 토도로카이트 터널에 함유된 $Mg^{2+}$ 이온의 배위구조에 대한 연구결과를 처음으로 소개한다. 기존 실험에서는 토도로카이트 내부에 함유된 $Mg^{2+}$가 공극의 중앙에 우세하게 자리한다고 알려져 있다. MD 시뮬레이션 결과, $Mg^{2+}$ 이온의 약 60 %가 나노공극의 중앙에 위치하지만, 약 40 %의 $Mg^{2+}$는 광물의 표면에 해당하는 공극의 코너에 위치하였다. 공극 중앙의 $Mg^{2+}$는 수용액에서처럼 물 분자와 6배위수를 보였다. 공극 코너의 $Mg^{2+}$ 역시 6배위수를 보였는데, 물 분자 이외에도 망간 팔면체 표면 산소와 배위를 보였다. $Mg^{2+}$ 이온의 동적 거동을 파악하기 위해 계산한 평균 제곱 변위(mean squared displacement) 결과에서는, 수용액 벌크(bulk) 상태에서 갖는 물 분자와 양이온의 동적 성질이 토도로카이트 1D 나노공극에서는 유지되지 못하고 잃어버리는 것을 확인할 수 있었다.

• 한국광물학회지
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• 제31권1호
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• pp.13-22
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• 2018

알루미늄 규산염($Al_2SiO_5$) 광물은 온도와 압력 환경에 따라 남정석, 홍주석, 규선석으로 상전이가 일어나는 동질이상(polymorph)으로 변성암의 변성정도를 유추하는 데 사용되는 중요한 광물이다. 이번 연구에서는 고전분자동력학 시뮬레이션(classical molecular dynamic simulations)과 양자역학 계산방법인 밀도범함수이론(density functional theory)을 이용하여 압력에 따른 알루미늄 규산염 광물의 결정구조와 엔탈피를 계산하고, 상대적인 안정성을 평가하였다. 격자상수 계산결과, 분자동력학과 밀도범함수이론 계산 모두 압력에 따라 부피가 줄어드는 기존의 실험결과와 동일한 경향을 보였다. 특히, 밀도범함수이론으로 얻어진 격자상수는 실험과 약 1% 이내의 오차로 매우 정확한 결과를 보였다. 그러나 엔탈피 계산 결과, 분자동력학에서는 압력에 따른 엔탈피의 변화가 거의 없어 광물 간 안정성이 역전되는 상전이 압력을 구할 수 없었다. 밀도범함수이론 계산 결과는 실험과 동일한 경향을 보여주었지만, 전자의 교환-상관 관계를 나타내는 범함수에 따라 상전이 압력이 크게 다른 결과를 보여주었다. 밀도범함수이론 계산 결과는 결정구조와 엔탈피에 대해서 모두 높은 수준의 정확도를 보여주지만, 동질이상의 상도표 작성에는 정량적으로 큰 오차를 보여주었다.