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전산광물학을 이용한 점토광물 내의 수산기 연구 가능성
Application of Computational Mineralogy to Studies of Hydroxyls in Clay Minerals 원문보기

韓國鑛物學會誌 = Journal of the Mineralogical Society of Korea, v.27 no.4, 2014년, pp.271 - 281  

채진웅 (강원대학교 자연과학대학 지질학과) ,  권기덕 (강원대학교 자연과학대학 지질학과)

초록
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점토광물의 물리화학적 특성에 대한 분자 또는 원자 스케일의 연구 중요성이 강조되고 있다. 그러나 실험만으로는 광물의 미시적 현상을 이해하기 어려운 경우가 많다. 특히 2:1 점토광물 팔면체에 존재하는 수산기(hydroxyl)가 금속 양이온 흡착과정에 큰 역할을 한다는 가정은 X-ray를 이용하는 실험만으로는 명확하게 테스트하기 어렵다. 이번 논문에서는 점토광물 내의 수산기 연구에 대한 전산광물학(computational mineralogy) 이용 가능성에 대하여 조사하였다. 점토광물의 기본구조인 팔면체 층만으로 구성된 광물, 1:1 구조를 갖는 광물, 2:1 구조를 갖는 광물 중 대표적인 이팔면체 및 삼팔면체 층상규산염 광물을 선별하여 구조최적화를 실시하였다. 분자역학적(molecular mechanics) 계산과 양자역학적(quantum mechanical) 계산 모두 실험값의 격자상수(lattice parameters)를 잘 재현할 수 있었다. 그러나, 사면체층과 팔면체의 구조적 뒤틀림(structural distortion) 등 광물 내부구조를 기존 실험결과와 비교했을 때, 양자역학적 계산결과가 분자역학적 방법을 이용한 결과 보다 더 낮은 오차를 보였다. 파이로필라이트(pyrophyllite) 수산기가 (001)면과 이루는 각은, 수산기의 H(proton)과 사면체의 Si 양이온 간의 척력으로 결정되는데, 양자역학적 방법은 약 $25-26^{\circ}$로 예측하였고, 분자역학적 방법은 약 $35^{\circ}$ 정도로 양자역학계산 결과와 무려 $10^{\circ}$의 큰 차이를 보였다. 전산광물학은 점토광물 구조연구에 신뢰성이 매우 높은 연구방법으로 양이온 흡착과정 중 수산기의 역할 규명에 사용될 수 있다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The physicochemical properties of clay minerals have been investigated at the atomistic to nano scale. The microscopic studies are often challenging to perform by using experimental approaches alone. In particular, hydroxyl groups of octahedral sheets in 2:1 clay minerals have been hypothesized to i...

주제어

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문제 정의

  • 이번 연구에서는 전산광물학이점토광물 수산기 연구에 신뢰성 높은 연구방법으로 사용될 수 있음을 보여 주였으며, 궁극적인 연구목표인 점토광물 팔면체의 수산기와 층간에 흡착된 양이온 간의 상호작용에 대한 연구를 진행 중이다. 양이온의 종류에 따라서 수산기의 위치와 배열이 어떻게 변화하는지를 조사함으로써, 실험만으로 규명하기 어려운 양이온 흡착에 대한 수산기의 역할을 규명하려한다. 양이온의 동형치환에 의한 수산기의 위치 및 O-H vibrational frequency 변화계산결과는 또한 적외선 분광분석 해석에도 도움이 될 것으로 기대된다.
  • 이번 논문에서는 흡착이온 종류와 점토광물 수산기 사이의 상관관계 규명연구에 전산광물학 이용가능성에 대하여 조사하였다. 층상규산염광물인 깁사이트(gibbsite, Al(OH)3), 수활석(brucite, Mg(OH)2),카올리나이트(kaolinite, Al2Si2O5(OH)4), 리자다이트(lizardite, Mg3Si2O5(OH)4), 파이로필라이트(pyrophyllite, Al2Si4O10(OH)2), 활석(talc, Mg3Si4O10(OH)2)에 대하여 전산광물학의 두 가지 계산방법을 사용하여 실시한 구조최적화(geometry optimization) 결과를 실험결과와 비교하여 계산방법의 각각의 신뢰성과 그 특징에 대하여 토의하며, 특히 파이로필라이트내의 수산기의 방향성(orientation)에 대하여 토의한다.
  • 파이로필라이트 수산기가(001)면과 이루는 방향각은 두 방법에서 약 10°의 큰 차이를 보였다. 이번 연구에서는 전산광물학이점토광물 수산기 연구에 신뢰성 높은 연구방법으로 사용될 수 있음을 보여 주였으며, 궁극적인 연구목표인 점토광물 팔면체의 수산기와 층간에 흡착된 양이온 간의 상호작용에 대한 연구를 진행 중이다. 양이온의 종류에 따라서 수산기의 위치와 배열이 어떻게 변화하는지를 조사함으로써, 실험만으로 규명하기 어려운 양이온 흡착에 대한 수산기의 역할을 규명하려한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
점토광물는 어떤 구조를 갖는가? 점토광물은 모암의 풍화로 생성되는 수산-규산질 광물로 통상 층상구조를 갖는다(Sposito et al.,1999).
자연환경에서 흔히 발견되는 점토광물이 다양한 응용분야에서 널리 사용되는 이유는 무엇인가? ,1999). 자연환경에서 흔히 발견되는 점토광물은 층상결정 구조와 매우 작은 결정 사이즈에 기인한 독특한 물리화학적 특징 때문에 다양한 응용분야에서도 널리 사용되고 있다(Murray, 2000). 특히, 팽윤성이나 이온에 대한 강한 흡착력으로 중금속과 방사핵종을 포함하는 여러 폐기물 처분 및 처리과정에서 중요한 환경광물로 사용된다.
자연환경에서 흔히 발견되는 점토광물이 사용되는 예는 무엇인가? 자연환경에서 흔히 발견되는 점토광물은 층상결정 구조와 매우 작은 결정 사이즈에 기인한 독특한 물리화학적 특징 때문에 다양한 응용분야에서도 널리 사용되고 있다(Murray, 2000). 특히, 팽윤성이나 이온에 대한 강한 흡착력으로 중금속과 방사핵종을 포함하는 여러 폐기물 처분 및 처리과정에서 중요한 환경광물로 사용된다. 점토광물과 관련된 현상은 기본적으로 나노스케일로 일어나기 때문에 광물의 물리화학적 성질에 대한 미시적(microscopic) 연구가 점토광물을 사용 및 응용하는데 큰 역할을 할 수 있다.
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