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고상 핵자기공명 분광분석을 이용한 비정질 Na 규산염 및 알루미노규산염 내 조성에 따른 등방성 화학적 차폐 변화 규명
Effect of Composition on Isotropic Chemical Shift of Na Silicate and Aluminosilicate Glasses Using Solid State NMR 원문보기

韓國鑛物學會誌 = Journal of the Mineralogical Society of Korea, v.32 no.1, 2019년, pp.41 - 49  

박선영 (서울대학교 지구환경과학부) ,  이성근 (서울대학교 지구환경과학부)

초록
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비정질 Na-규산염과 Na-알루미노규산염 내의 Na 이온의 원자 환경을 규명하는 것은 Na을 포함하는 지구 내부 마그마의 물성을 규명하는 데 중요하다. 특히 Na 원자 환경의 규명을 통해 이동 물성에 매우 중요한 역할을 하는 Na과 산소와의 거리를 밝힐 수 있다. 본 연구에서는 $^{23}Na$ magic angle spinning (MAS) NMR을 이용하여 비정질 Na 규산염과 알루미노규산염의 Na 주변 원자 환경을 규명하고자 하였고 Dmfit 프로그램을 이용한 시뮬레이션을 통해 ${\delta}_{iso}$ 값을 구했다. Dmfit 프로그램에서 제공하는 여러 모델 중 Q mas 1/2 모델과 CzSimple 모델을 사용하여 비정질 Na-알루미노규산염의 $^{23}Na$ MAS NMR 스펙트럼에 대해 시뮬레이션을 진행한 결과 Q mas 1/2 모델은 세 개의 피크로 CzSimple 모델은 하나의 피크로 실험값이 재현되는 것을 확인하였다. 조성에 따른 등방성 화학적 차폐(isotropic chemical shift, ${\delta}_{iso}$)의 변화를 관찰한 결과 비정질 Na-규산염과 Na-알루미노규산염에서 $SiO_2$의 함량이 증가할수록 ${\delta}_{iso}$ 값이 감소하는 경향성을 보였고 $SiO_2$ 함량이 고정되어 있는 조성에서는 $Na_2O$의 함량이 높을수록 높은 ${\delta}_{iso}$ 값을 보였다. 이전 연구에서 실험적으로 얻어진 값들과 본 연구에서 시뮬레이션을 통해 얻은 값을 비교해본 결과 ${\delta}_{iso}$ 값은 Al / (Al + Si) 값과 양의 상관관계를 보이는 것이 확인되었고 CzSimple 모델에 비해 Q mas 1/2 모델을 사용하여 시뮬레이션 한 값이 실험값을 더 잘 재현하였다. 본 연구의 결과를 통해 1D $^{23}Na$ MAS NMR 스펙트럼의 시뮬레이션을 통해 빠른 시간 내 Na 주변의 무질서도를 밝힐 수 있다는 것이 확인되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Probing the Na environments in Na silicate and aluminosilicate glasses is essential to the macroscopic properties of melts in the Earth. In particular, exploring the atomic structure of Na silicate and aluminosilicate glasses reveals Na-O distance, which plays an important role in transport properti...

주제어

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문제 정의

  • 본 연구에서는 ”Dmfit” 프로그램을 이용하여 23Na MAS NMR 스펙트럼으로부터 NMR 상수인δiso를 구하고자 하였다.
  • 본 연구에서는 비정질 Na 규산염과 알루미노규산염 내에 Na 원자 환경을 규명하기 위하여 1D 23Na MAS NMR을 분석을 수행하였다. 비정질 Na 규산염과 알루미노규산염의 조성에 따른 NMR 스펙트럼을 얻었고 Dmfit 프로그램을 이용하여 시뮬레이션을 수행하여 조성에 따라 δiso 값이 어떠한 변화를 보이는지 규명하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
Dmfit 프로그램이란? 본 연구에서는 ”Dmfit” 프로그램을 이용하여 23Na MAS NMR 스펙트럼으로부터 NMR 상수인δiso를 구하고자 하였다. Dmfit 프로그램은 일차원과 이차원의 NMR 스펙트럼의 시뮬레이션을 수행할 수 있는 프로그램으로 가우시안(Gaussian)과 로렌치안(Lorentzian), 스피닝 사이드밴드(spinning sidebands), 화학적 차폐 이방성(chemical shift anisotropy), 사중극자 상호작용 등에 근거하여 여러 모델을 제공한다(Massiot et al., 2002).
(MAS) NMR이 수행된 이유는? NMR 실험 결과를 통해 구조와 관련된 NMR 변수인 등방성 화학 차폐(isotropic chemical shift, δiso) 값을 구할 수 있고 이 값이 Na-O 거리와 선형 관계를 가진다는 것이 이전 연구들을 통해 밝혀진 바 있다(Lee and Stebbins,2003a; Stebbins, 1998). 따라서 여러 자기장 하에서 평균 δiso 값을 구하기 위해 23Na magic angle spinning (MAS) NMR이 수행되어 왔다(Gee and Eckert, 1996; Kohn et al., 1998; Ratai et al.
3QMASNMR 실험의 단점은 무엇인가? 그럼에도 불구하고 2-dimensional (2D) 23Na 3QMASNMR 실험은 복잡한 펄스 시퀀스를 사용하여 NMR 신호에 영향으로 주는 변수가 많아 좋은 결과를 얻으려면 노력이 많이 필요하다. 또한 실험 시간이오래 걸려 효율성이 떨어져 긴 실험 시간을 확보하지 못하면 데이터를 얻기가 어렵다. 따라서 복잡한 2D 23Na 3QMAS NMR 실험 대신 빠른 시간 내 스펙트럼을 얻을 수 있는 1-dimensional (1D) 23NaMAS NMR을 통해 δiso 값을 얻으려는 노력이 계속되었고 최근에는 시뮬레이션 프로그램인 Dmfit프로그램을 이용하여 1D 23Na MAS NMR 스펙트럼을 통해 δiso 값을 구하는 시도도 이루어지고 있다(Ragoen et al.
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참고문헌 (22)

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  18. Ratai, E., Janssen, M., and Eckert, H. (1998) Spatial distributions and chemical environments of cations in single- and mixed alkali borate glasses: Evidence from solid state NMR. Solid State Ionics, 105, 25-37. 

  19. Schmidt, B.C., Riemer, T., Kohn, S.C., Behrens, H., and Dupree, R. (2000) Different water solubility mechanisms in hydrous glasses along the Qz-Ab join: Evidence from NMR spectroscopy. Geochimica et Cosmochimica Acta, 64, 513-526. 

  20. Stebbins, J.F. (1998) Cation sites in mixed-alkali oxide glasses: correlations of NMR chemical shift data with site size and bond distance. Solid State Ionics, 112, 137-141. 

  21. Tossell, J.A. (1999) Quantum mechanical calculation of $^{23}Na$ NMR shieldings in silicates and aluminosilicates. Physics and Chemistry of Minerals, 27, 70-80. 

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